電源斷電控制電路的工作原理和電路圖

中穎電子的很多產(chǎn)品是定位于家電和工控應(yīng)用，關(guān)機電流（@掉電模式）在5~10μA左右，不適合低功耗應(yīng)用。如果想將這些產(chǎn)品用于更低關(guān)機功耗需求的應(yīng)用，可以用本文介紹的控制電路，實現(xiàn)零關(guān)機電流。

電源斷電控制電路的工作原理是：用外部啟動信號和MCU的GPIO通過MOS開關(guān)管控制系統(tǒng)電源的通電和斷電。因為系統(tǒng)在關(guān)機狀態(tài)是真實斷電、沒有功耗，關(guān)機電流近乎為零。

常見的外部啟動信號包括按鍵啟動、插入啟動等，例如：按開機鍵啟動血壓計、插入試紙啟動血糖儀。根據(jù)有效邏輯的不同，啟動信號可以分為兩種：高有效信號和低有效信號。兩種啟動信號對應(yīng)的控制電路有一些區(qū)別，下文用按鍵舉例分別進行說明。

1.高有效信號的斷電控制電路

高有效信號是指信號的無效狀態(tài)（按鍵釋放）是低電平或高阻態(tài)，有效狀態(tài)（按鍵按下）是高電平。高有效信號的電源斷電控制電路見下圖。

圖1. 高有效信號的控制電路，Q2是N-MOS管

圖中：

(1)K1是啟動鍵，MCU是系統(tǒng)控制器。

(2)VBAT是外部供電電源，VDD是系統(tǒng)電源，KEY_IN和CTRL_OUT是MCU的GPIO。

(3)Q1是P-MOS管，Q2是N-MOS管。

操作流程：

關(guān)機狀態(tài)下，Q1和Q2都處于截止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)斷電。

按下啟動鍵K1后，VBAT經(jīng)過K1和D1加載到Q2柵極，Q2導(dǎo)通；Q1柵極被下拉到低電平，Q1導(dǎo)通；VBAT給VDD供電，系統(tǒng)上電啟動。

MCU上電后，首先將KEY_IN引腳設(shè)置為輸入狀態(tài)，用于檢測按鍵狀態(tài)，并使能此引腳的內(nèi)部下拉電阻（如果沒有內(nèi)建下拉電阻，則要在KEY_IN引腳上外接下拉電阻）。然后將CTRL_OUT引腳設(shè)置為輸出高電平，用于鎖住Q2導(dǎo)通狀態(tài)。此時，即使釋放了啟動鍵，Q2仍然保持導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)正常供電。

工作狀態(tài)下，按下K1鍵，KEY_IN是高電平；釋放K1鍵，KEY_IN是低電平。

需要關(guān)機時，MCU只要設(shè)置CTRL_OUT引腳輸出低電平（@啟動鍵已經(jīng)釋放），就可以控制Q2和Q1依次進入截止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)斷電關(guān)機。

圖1中的Q2可以替換成價格更低的NPN三極管，功能不變，電路如下。

圖2. 高有效信號的控制電路，Q2是NPN管

2. 低有效信號的斷電控制電路

低有效信號是指信號的無效狀態(tài)（按鍵釋放）是高電平或高阻態(tài)，有效狀態(tài)（按鍵按下）是低電平。低有效信號的電源斷電控制電路見下圖。

圖3. 低有效信號的控制電路，Q2是NMOS管

低有效信號控制電路和高有效信號控制電路相比，主要是增加了一個N-MOS管Q3，用于在開機狀態(tài)給啟動鍵提供地電位。

操作流程：

關(guān)機狀態(tài)下，Q1、Q2和Q3都處于截止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)斷電。

按下啟動鍵K1后，VBAT經(jīng)過K1和D1加載到Q2柵極，Q2導(dǎo)通；Q1柵極被下拉到低電平，Q1導(dǎo)通；VBAT給VDD供電，系統(tǒng)上電啟動。

MCU上電后，首先將KEY_IN引腳設(shè)置為輸入狀態(tài)，用于檢測按鍵狀態(tài)，并使能此引腳的內(nèi)部上拉電阻。然后將CTRL_OUT引腳設(shè)置為輸出高電平，用于鎖住Q2導(dǎo)通狀態(tài)；同時將Q3導(dǎo)通，為K1鍵提供地電位。

工作狀態(tài)下，按下K1鍵，KEY_IN是低電平；釋放K1鍵，KEY_IN是高電平。

需要關(guān)機時，MCU先關(guān)閉KEY_IN引腳的上拉電阻，然后設(shè)置CTRL_OUT引腳輸出低電平（@啟動鍵已經(jīng)釋放），就可以控制Q3、Q2和Q1依次進入截止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)斷電關(guān)機。

備注：在啟動階段，K1鍵仍然是高有效，按下K1鍵KEY_IN是高電平。MCU啟動后，使能KEY_IN上拉電阻，并用CTRL_OUT導(dǎo)通Q3后，K1鍵才切換為低有效，按下K1鍵KEY_IN是低電平。

圖3中的Q2同樣可以用價格更低的NPN三極管替換，功能不變，電路如下。

圖4. 低有效信號的控制電路，Q2是NPN管

3. 補充說明

(1)使用電源斷電控制電路,只能通過啟動信號啟動系統(tǒng),供電電源(VBAT)上電無法啟動系統(tǒng)。例如，更換電池后系統(tǒng)不會直接啟動，必須再按一次啟動鍵才能啟動系統(tǒng)。

(2)工作漏電和電阻值選擇

使用電源斷電控制電路，會給工作狀態(tài)額外增加大約幾十微安的漏電，包括：
- VBAT通過R1-Q3漏電
- VBAT通過R2-R3-Q2漏電
- KEY_IN/CTRL_OUT通過D1/D2-(R5)-R4的漏電
- CTRL_OUT通過R6漏電

這些漏電的大小與VBAT電壓和R1/R2/R4/R6的阻值相關(guān)，R1推薦阻值100k~470kΩ，R2/R4/R6推薦阻值470k~1MΩ。下表是SH86F7088+低有效信號控制電路的漏電數(shù)據(jù)。

表1. SH86F7088+低有效信號控制電路的漏電（@7088在PowerDown模式）

(3)R1阻值選擇、D1和Q2選型

在低有效信號的電源斷電控制電路中，當(dāng)啟動鍵K1按下時，VBAT通過R1-K1把KEY_IN拉高，因為MCU引腳內(nèi)部電路的影響（此時MCU無電），KEY_IN并不能被拉到VBAT電壓，R1電阻越大，KEY_IN電壓越低。下表是SH86F7088無電條件下外部上拉實測數(shù)據(jù)。

因此，R1阻值、D1和Q2選型時，必須要保證KEY_IN電壓經(jīng)過二極管D1的壓降后仍然高于Q2的柵極閾值電壓VGS（或基級-發(fā)射級導(dǎo)通電壓VBE(on)），才能確保Q2導(dǎo)通。

表2. SH86F7088無電條件下外部上拉測試數(shù)據(jù)