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輕觸按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)機(jī)原理

電路基本要求：

用開(kāi)關(guān)管替代原來(lái)的機(jī)械開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)主機(jī)的電源開(kāi)閉，并不影響主機(jī)外觀與電路性能。

制作方法首先是電子器件輕觸開(kāi)關(guān)選擇：

目前可以作為開(kāi)關(guān)管的器件有：

BJT（雙極型三極管）、MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）、Thyristor（晶閘管或者叫做可控硅）、Relay（繼電器）、專(zhuān)用LoadSwitch集成電路、GTO（可關(guān)斷晶閘管）、IGBT

以上幾種器件中的一些由于以下原因不適合業(yè)余DIY：

Thyristor（晶閘管或者叫做可控硅）：

開(kāi)啟后無(wú)法關(guān)斷，即便撤去控制極電壓

GTO（可關(guān)斷晶閘管）：

控制電路比較復(fù)雜、關(guān)斷時(shí)漏電流較大...

Relay（繼電器）：

體積大，控制電路耗電大，開(kāi)關(guān)時(shí)有噪音、機(jī)械結(jié)構(gòu)壽命短

IGBT：

導(dǎo)通壓降大

專(zhuān)用LoadSwitch集成電路：

綜合性能最好外圍電路最簡(jiǎn)，但價(jià)格貴、不好采購(gòu)、封裝形式多為貼片（SON、BGA等封裝形式），業(yè)余條件難以焊接。

以上發(fā)表幾種器件符合業(yè)余DIY條件的有：

BJT（雙極刑三極管）和MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）

在這兩種器件中再篩選：

BJT器件由于Vce飽和電壓降較大（大于等于0.2V），不適合低電壓電路（比如3.3V或更低）開(kāi)關(guān)用途，而且大功率三極管基極電流也不小，通常接通幾十到幾百毫安，并不適合邏輯電路直接驅(qū)動(dòng)。

最后剩下的只有Mosfet（場(chǎng)效應(yīng)管）了。

場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)是控制極輸入阻抗極大，幾乎不消耗電流，屬于壓控型器件，非常適合輸出能力較弱的CMOS邏輯電路控制。

導(dǎo)通時(shí)只有導(dǎo)通電阻，不像BJT那樣是電壓降，選擇較低導(dǎo)通電阻的場(chǎng)效應(yīng)管可以用于低壓直流電路的開(kāi)關(guān)用途。

場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通條件：

N-MOS：

在G極與S（源）極之間施加大于門(mén)極截至電壓的正電壓，D（漏極）和S（源極）即導(dǎo)通。

P-MOS：

在G極與S（源）極之間施加小于門(mén)極截至電壓的負(fù)電壓，S（源極）和D（漏極）即導(dǎo)通。

場(chǎng)效應(yīng)管分為N溝道型和P溝道型，組成開(kāi)關(guān)電路還分為高邊開(kāi)關(guān)(High side switch)和低邊開(kāi)關(guān)(low side switch),所以場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路有以下4種形式：

那么如何選擇場(chǎng)效應(yīng)管的品種和電路拓?fù)湫问侥?？下面逐條來(lái)分析：

形式1：

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管高邊開(kāi)關(guān)：

在這種電路拓?fù)渲校礃O電位不固定，相應(yīng)的符合開(kāi)或關(guān)狀態(tài)的門(mén)極電位也不固定，必須額外設(shè)計(jì)浮動(dòng)的門(mén)極控制電平電路頻率，這不符合DIY的最簡(jiǎn)原則，所以不選用。

形式2：

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管低邊開(kāi)關(guān)：

這種形式中控制電路最簡(jiǎn)單，由于源極接地，門(mén)極電平也就是固定的。

但是此電路并不適合多路供電的設(shè)備，原因如下：

多路供電設(shè)備（比如PS1，雙電壓供電7.8V和3.5V）供電電路中，GND為公共地，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電源地與負(fù)載地不通，負(fù)載GND為浮動(dòng)狀態(tài)，就形成了高電壓供電端像低壓供電端反向供電的狀況，此時(shí)低壓端對(duì)于公共地的電位為Vlow-Vhigh，為負(fù)值，這會(huì)對(duì)電路中的器件造成損害！所以此方案也不可選。

形式3：

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管低邊邊開(kāi)關(guān)：

類(lèi)似形式1這種形式是效率最低的形式：控制電路復(fù)雜化、同尺寸的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管要比N溝道場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)差，種類(lèi)也少。所以這種形式在任何場(chǎng)合都是不適用的，沒(méi)人會(huì)在實(shí)際電路中使用這種形式。

形式4：

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管高邊開(kāi)關(guān)：

這種形式與N溝道MOSFET低邊開(kāi)關(guān)時(shí)的控制電路一樣簡(jiǎn)單，是最簡(jiǎn)單的方式。

也沒(méi)有GND浮空的問(wèn)題，這是此次改造中最理想的電路。

場(chǎng)效應(yīng)管的選擇：

一定要選極低導(dǎo)通電阻的場(chǎng)管，而且要求能夠由邏輯電平驅(qū)動(dòng)的（±5V或更低）。

為方便大家選型，我直接給出我用的型號(hào)（之前的查閱資料過(guò)程還是很累人的）：

7.8V端，可以原則導(dǎo)通電阻相對(duì)高一些（便宜一些）的場(chǎng)管，參數(shù)如下：

RdsON=最大0.025歐姆（Vgs=-4.5V）

最大漏極電流：-45A（TC=25°C）

導(dǎo)通電阻與VGS曲線(xiàn)：

3.5V端，這就得選擇最高性能的場(chǎng)管了，我選的是英飛凌（Infineon）公司的IPD042P03L3 G，參數(shù)如下：

RDSON=最大0.0068歐姆（VGS=-4.5V）

最大漏極電流：-70A（TC=25°C）

導(dǎo)通電阻與VGS曲線(xiàn)：

以上場(chǎng)管封裝都是TO-252。這導(dǎo)通電阻，也不差于直接導(dǎo)線(xiàn)連接了，跟機(jī)械開(kāi)關(guān)無(wú)甚區(qū)別。我的萬(wàn)用表就那么短的粗線(xiàn)，短路測(cè)量時(shí)表筆線(xiàn)上的電阻都將近70豪歐了。

并不止這兩種高性能場(chǎng)管可用，其它公司，比如ST、Fairychild、TI、ON Semei等等廠家都有高性能的Logic Level場(chǎng)效應(yīng)管銷(xiāo)售，各位選擇空間還是很大的。

電路性能計(jì)算:

假定每路輸出電流都為2A，那么開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降：

U=IXR

7.8V支路：U=2X0.025=0.05V，那么輸出端負(fù)載得到的電壓是7.8V-0.05V=7.75V滿(mǎn)足最低需求7.5V的需要。

3.5V支路：U=2X0.0068=0.0136V，那么輸出端負(fù)載得到的電壓是3.5V-0.0136V=3.4864V，滿(mǎn)足電路最低需求3.3V的需要。

場(chǎng)管升溫計(jì)算：

假定每路輸出電流都為2A，那么開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)溫升：

TO-252封裝的RθJA熱阻值為62°C/W，由于我們焊接場(chǎng)管時(shí)，與電路板銅箔接觸面積很小，所以計(jì)算時(shí)只能取RθJA值（就是完全沒(méi)有外界散熱時(shí)的管芯對(duì)環(huán)境溫度的熱阻）。

溫升=RθJA*Pd

Pd=I^2 X RdsON

TJ（芯片結(jié)溫）=RθJA*Pd+TA

環(huán)境溫度TA取40°C

7.8V支路：TJ=62*(2^2*0.025)+40=46.2°C，溫升=6.2°C

3.5V支路：TJ=62*(2^2*0.0068)+40=41.6864°C，溫升=1.6864°C

PS1主機(jī)的電源消耗為17W，開(kāi)關(guān)電源拓?fù)錇樽约し醇な介_(kāi)關(guān)電源，其效率為65%-85%，按效率85%計(jì)算，兩路直流輸出總功率為14.45W，實(shí)際電路耗電絕不可能達(dá)到2A的程度，所以上面的計(jì)算取的都是比較極端的數(shù)值，而且場(chǎng)管的導(dǎo)通電阻都是按照最大值計(jì)算，實(shí)際上都會(huì)低于最大值，真實(shí)場(chǎng)合導(dǎo)通壓降和溫升要遠(yuǎn)比上述計(jì)算結(jié)果低。

結(jié)論是整個(gè)電路無(wú)論從性能上和可靠性上都毫無(wú)問(wèn)題。

控制電路的設(shè)計(jì)：

要實(shí)現(xiàn)單一按鍵切換高低不同電平輸出，我們需要用到邏輯器件D類(lèi)觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)：

CMOS技術(shù)的CD4013集成電路（相同功能的HEF4013、TC4013等等都可以）。

為什么不用74系列的74HC74？

因?yàn)镃MOS版本的可以使用高電源電壓（最大輸入電壓18V），輸出電平也高，這對(duì)MOFET的導(dǎo)通電阻有正面影響。對(duì)于P溝道MOSFET來(lái)說(shuō)，與VCC電壓一致的高電平輸出才可以徹底關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)管（P-MOS用作高邊開(kāi)關(guān)而且在不重新設(shè)計(jì)控制電路的場(chǎng)合）。

電路圖如下：

由于上電時(shí)邏輯電路的電平不確定，所以上面電路中加入了由R1和C1組成的簡(jiǎn)單的Reset電路：在系統(tǒng)上電過(guò)程中保證輸出電平為確定狀態(tài)。

在按鍵部分加入了由R3和C2組成的防止高速開(kāi)關(guān)的延時(shí)保護(hù)電路，這樣就能防止輕觸開(kāi)關(guān)失效時(shí)產(chǎn)生一次按鍵就導(dǎo)致多次開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換的狀況，保證一次按鍵產(chǎn)生一次電平翻轉(zhuǎn)。

但是此電路不能應(yīng)付輕觸開(kāi)關(guān)漏電的情況，此時(shí)控制失效，只能更換輕觸開(kāi)關(guān)。

此電路上電時(shí)的初始狀態(tài)：

輸出端Q=高電平，所以?xún)芍籔溝道場(chǎng)效應(yīng)管皆為關(guān)斷狀態(tài)。

但兩只場(chǎng)效應(yīng)管的門(mén)極電壓卻是不同的，當(dāng)Q=高電平（7.8V）時(shí)，7.8V供電支路的場(chǎng)效應(yīng)管的VGS=7.8V-7.8V=0V，為關(guān)斷狀態(tài)；3.5V供電支路的場(chǎng)效應(yīng)管的VGS=7.8V-3.5V=+4.3V，同樣為關(guān)斷狀態(tài)。

當(dāng)按下開(kāi)關(guān)S1后，D觸發(fā)器的輸出Q翻轉(zhuǎn)為低電平（0V），此時(shí)兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的門(mén)極電平為0，那么7.8V支路的場(chǎng)管的VGS=0V-7.8V=-7.8V，為導(dǎo)通狀態(tài)；3.5V支路的場(chǎng)管的VGS=0V-3.5V=-3.5V同為導(dǎo)通狀態(tài)。

再次按下S1，輸出再次翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電源的關(guān)閉。

以上所述電路設(shè)計(jì)完成，制作電源開(kāi)關(guān)過(guò)程需要注意細(xì)節(jié)部分的閱讀，改裝后可以測(cè)試下開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)是否正常，以及輕觸式開(kāi)關(guān)金屬?gòu)椘欠駨椥哉?，能否?fù)位。