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轻触按钮开关实现电源开关机原理

  • 时间:1年前
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轻触按钮开关实现电源开关机原理

电路基本要求:

用开关管替代原来的机械开关实现主机的电源开闭,并不影响主机外观与电路性能。

制作方法首先是电子器件轻触开关选择:

6*6轻触开关四脚触点引脚

目前可以作为开关管的器件有:

BJT(双极型三极管)、MOSFET(场效应管)、Thyristor(晶闸管或者叫做可控硅)、Relay(继电器)、专用LoadSwitch集成电路、GTO(可关断晶闸管)、IGBT

以上几种器件中的一些由于以下原因不适合业余DIY:

Thyristor(晶闸管或者叫做可控硅):

开启后无法关断,即便撤去控制极电压

GTO(可关断晶闸管):

控制电路比较复杂、关断时漏电流较大...

Relay(继电器):

体积大,控制电路耗电大,开关时有噪音、机械结构寿命短

IGBT:

导通压降大

专用LoadSwitch集成电路:

综合性能最好外围电路最简,但价格贵、不好采购、封装形式多为贴片(SON、BGA等封装形式),业余条件难以焊接。

以上发表几种器件符合业余DIY条件的有:

BJT(双极刑三极管)和MOSFET(场效应管)

在这两种器件中再筛选:

BJT器件由于Vce饱和电压降较大(大于等于0.2V),不适合低电压电路(比如3.3V或更低)开关用途,而且大功率三极管基极电流也不小,通常接通几十到几百毫安,并不适合逻辑电路直接驱动。

最后剩下的只有Mosfet(场效应管)了。

场效应管的特点是控制极输入阻抗极大,几乎不消耗电流,属于压控型器件,非常适合输出能力较弱的CMOS逻辑电路控制。

导通时只有导通电阻,不像BJT那样是电压降,选择较低导通电阻的场效应管可以用于低压直流电路的开关用途。

场效应管导通条件:

N-MOS:

在G极与S(源)极之间施加大于门极截至电压的正电压,D(漏极)和S(源极)即导通。

P-MOS:

在G极与S(源)极之间施加小于门极截至电压的负电压,S(源极)和D(漏极)即导通。

场效应管分为N沟道型和P沟道型,组成开关电路还分为高边开关(High side switch)和低边开关(low side switch),所以场效应管开关电路有以下4种形式:

4种形式轻触开关电路原理

那么如何选择场效应管的品种和电路拓扑形式呢?下面逐条来分析:

形式1:

N沟道场效应管高边开关:

在这种电路拓扑中,源极电位不固定,相应的符合开或关状态的门极电位也不固定,必须额外设计浮动的门极控制电平电路频率,这不符合DIY的最简原则,所以不选用。

形式2:

N沟道场效应管低边开关:

这种形式中控制电路最简单,由于源极接地,门极电平也就是固定的。

但是此电路并不适合多路供电的设备,原因如下:

多路供电设备(比如PS1,双电压供电7.8V和3.5V)供电电路中,GND为公共地,当开关管关断时,电源地与负载地不通,负载GND为浮动状态,就形成了高电压供电端像低压供电端反向供电的状况,此时低压端对于公共地的电位为Vlow-Vhigh,为负值,这会对电路中的器件造成损害!所以此方案也不可选。

形式3:

P沟道场效应管低边边开关:

类似形式1这种形式是效率最低的形式:控制电路复杂化、同尺寸的P沟道场效应管要比N沟道场效应管参数差,种类也少。所以这种形式在任何场合都是不适用的,没人会在实际电路中使用这种形式。

形式4:

P沟道场效应管高边开关:

这种形式与N沟道MOSFET低边开关时的控制电路一样简单,是最简单的方式。

也没有GND浮空的问题,这是此次改造中最理想的电路。

场效应管的选择:

一定要选极低导通电阻的场管,而且要求能够由逻辑电平驱动的(±5V或更低)。

为方便大家选型,我直接给出我用的型号(之前的查阅资料过程还是很累人的):

7.8V端,可以原则导通电阻相对高一些(便宜一些)的场管,参数如下:

RdsON=最大0.025欧姆(Vgs=-4.5V)

最大漏极电流:-45A(TC=25°C)

导通电阻与VGS曲线:

按钮开关电路板电压电阻VGS曲线

3.5V端,这就得选择最高性能的场管了,我选的是英飞凌(Infineon)公司的IPD042P03L3 G,参数如下:

RDSON=最大0.0068欧姆(VGS=-4.5V)

最大漏极电流:-70A(TC=25°C)

导通电阻与VGS曲线:

轻触开关电流VGS曲线

以上场管封装都是TO-252。这导通电阻,也不差于直接导线连接了,跟机械开关无甚区别。我的万用表就那么短的粗线,短路测量时表笔线上的电阻都将近70豪欧了。

并不止这两种高性能场管可用,其它公司,比如ST、Fairychild、TI、ON Semei等等厂家都有高性能的Logic Level场效应管销售,各位选择空间还是很大的。

电路性能计算:

假定每路输出电流都为2A,那么开关管导通时的压降:

U=IXR

7.8V支路:U=2X0.025=0.05V,那么输出端负载得到的电压是7.8V-0.05V=7.75V满足最低需求7.5V的需要。

3.5V支路:U=2X0.0068=0.0136V,那么输出端负载得到的电压是3.5V-0.0136V=3.4864V,满足电路最低需求3.3V的需要。

场管升温计算:

假定每路输出电流都为2A,那么开关管导通时温升:

TO-252封装的RθJA热阻值为62°C/W,由于我们焊接场管时,与电路板铜箔接触面积很小,所以计算时只能取RθJA值(就是完全没有外界散热时的管芯对环境温度的热阻)。

温升=RθJA*Pd

Pd=I^2 X RdsON

TJ(芯片结温)=RθJA*Pd+TA

环境温度TA取40°C

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

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

PS1主机的电源消耗为17W,开关电源拓扑为自激反激式开关电源,其效率为65%-85%,按效率85%计算,两路直流输出总功率为14.45W,实际电路耗电绝不可能达到2A的程度,所以上面的计算取的都是比较极端的数值,而且场管的导通电阻都是按照最大值计算,实际上都会低于最大值,真实场合导通压降和温升要远比上述计算结果低。

结论是整个电路无论从性能上和可靠性上都毫无问题。

控制电路的设计:

要实现单一按键切换高低不同电平输出,我们需要用到逻辑器件D类触发器来实现:

CMOS技术的CD4013集成电路(相同功能的HEF4013、TC4013等等都可以)。

为什么不用74系列的74HC74?

因为CMOS版本的可以使用高电源电压(最大输入电压18V),输出电平也高,这对MOFET的导通电阻有正面影响。对于P沟道MOSFET来说,与VCC电压一致的高电平输出才可以彻底关断场效应管(P-MOS用作高边开关而且在不重新设计控制电路的场合)。

电路图如下:

轻触开关实现开关机电路图原理图

由于上电时逻辑电路的电平不确定,所以上面电路中加入了由R1和C1组成的简单的Reset电路:在系统上电过程中保证输出电平为确定状态。

在按键部分加入了由R3和C2组成的防止高速开关的延时保护电路,这样就能防止轻触开关失效时产生一次按键就导致多次开关状态切换的状况,保证一次按键产生一次电平翻转。

但是此电路不能应付轻触开关漏电的情况,此时控制失效,只能更换轻触开关。

此电路上电时的初始状态:

输出端Q=高电平,所以两只P沟道场效应管皆为关断状态。

但两只场效应管的门极电压却是不同的,当Q=高电平(7.8V)时,7.8V供电支路的场效应管的VGS=7.8V-7.8V=0V,为关断状态;3.5V供电支路的场效应管的VGS=7.8V-3.5V=+4.3V,同样为关断状态。

当按下开关S1后,D触发器的输出Q翻转为低电平(0V),此时两个场效应管的门极电平为0,那么7.8V支路的场管的VGS=0V-7.8V=-7.8V,为导通状态;3.5V支路的场管的VGS=0V-3.5V=-3.5V同为导通状态。

再次按下S1,输出再次翻转,实现电源的关闭。

以上所述电路设计完成,制作电源开关过程需要注意细节部分的阅读,改装后可以测试下开机和关机是否正常,以及轻触式开关金属弹片是否弹性正常,能否复位。


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