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輕觸按鈕開關實現電源開關機原理

  • 時間:3年前
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輕觸按鈕開關實現電源開關機原理

電路基本要求:

用開關管替代原來的機械開關實現主機的電源開閉,并不影響主機外觀與電路性能。

制作方法首先是電子器件輕觸開關選擇:

6*6輕觸開關四腳觸點引腳

目前可以作為開關管的器件有:

BJT(雙極型三極管)、MOSFET(場效應管)、Thyristor(晶閘管或者叫做可控硅)、Relay(繼電器)、專用LoadSwitch集成電路、GTO(可關斷晶閘管)、IGBT

以上幾種器件中的一些由于以下原因不適合業余DIY:

Thyristor(晶閘管或者叫做可控硅):

開啟后無法關斷,即便撤去控制極電壓

GTO(可關斷晶閘管):

控制電路比較復雜、關斷時漏電流較大...

Relay(繼電器):

體積大,控制電路耗電大,開關時有噪音、機械結構壽命短

IGBT:

導通壓降大

專用LoadSwitch集成電路:

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

以上發表幾種器件符合業余DIY條件的有:

BJT(雙極刑三極管)和MOSFET(場效應管)

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)開關用途,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動。

最后剩下的只有Mosfet(場效應管)了。

場效應管的特點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。

導通時只有導通電阻,不像BJT那樣是電壓降,選擇較低導通電阻的場效應管可以用于低壓直流電路的開關用途。

場效應管導通條件:

N-MOS:

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

P-MOS:

在G極與S(源)極之間施加小于門極截至電壓的負電壓,S(源極)和D(漏極)即導通。

場效應管分為N溝道型和P溝道型,組成開關電路還分為高邊開關(High side switch)和低邊開關(low side switch),所以場效應管開關電路有以下4種形式:

4種形式輕觸開關電路原理

那么如何選擇場效應管的品種和電路拓撲形式呢?下面逐條來分析:

形式1:

N溝道場效應管高邊開關:

在這種電路拓撲中,源極電位不固定,相應的符合開或關狀態的門極電位也不固定,必須額外設計浮動的門極控制電平電路頻率,這不符合DIY的最簡原則,所以不選用。

形式2:

N溝道場效應管低邊開關:

這種形式中控制電路最簡單,由于源極接地,門極電平也就是固定的。

但是此電路并不適合多路供電的設備,原因如下:

多路供電設備(比如PS1,雙電壓供電7.8V和3.5V)供電電路中,GND為公共地,當開關管關斷時,電源地與負載地不通,負載GND為浮動狀態,就形成了高電壓供電端像低壓供電端反向供電的狀況,此時低壓端對于公共地的電位為Vlow-Vhigh,為負值,這會對電路中的器件造成損害!所以此方案也不可選。

形式3:

P溝道場效應管低邊邊開關:

類似形式1這種形式是效率最低的形式:控制電路復雜化、同尺寸的P溝道場效應管要比N溝道場效應管參數差,種類也少。所以這種形式在任何場合都是不適用的,沒人會在實際電路中使用這種形式。

形式4:

P溝道場效應管高邊開關:

這種形式與N溝道MOSFET低邊開關時的控制電路一樣簡單,是最簡單的方式。

也沒有GND浮空的問題,這是此次改造中最理想的電路。

場效應管的選擇:

一定要選極低導通電阻的場管,而且要求能夠由邏輯電平驅動的(±5V或更低)。

為方便大家選型,我直接給出我用的型號(之前的查閱資料過程還是很累人的):

7.8V端,可以原則導通電阻相對高一些(便宜一些)的場管,參數如下:

RdsON=最大0.025歐姆(Vgs=-4.5V)

最大漏極電流:-45A(TC=25°C)

導通電阻與VGS曲線:

按鈕開關電路板電壓電阻VGS曲線

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

RDSON=最大0.0068歐姆(VGS=-4.5V)

最大漏極電流:-70A(TC=25°C)

導通電阻與VGS曲線:

輕觸開關電流VGS曲線

以上場管封裝都是TO-252。這導通電阻,也不差于直接導線連接了,跟機械開關無甚區別。我的萬用表就那么短的粗線,短路測量時表筆線上的電阻都將近70豪歐了。

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

電路性能計算:

假定每路輸出電流都為2A,那么開關管導通時的壓降:

U=IXR

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

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

場管升溫計算:

假定每路輸出電流都為2A,那么開關管導通時溫升:

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

溫升=RθJA*Pd

Pd=I^2 X RdsON

TJ(芯片結溫)=RθJA*Pd+TA

環境溫度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主機的電源消耗為17W,開關電源拓撲為自激反激式開關電源,其效率為65%-85%,按效率85%計算,兩路直流輸出總功率為14.45W,實際電路耗電絕不可能達到2A的程度,所以上面的計算取的都是比較極端的數值,而且場管的導通電阻都是按照最大值計算,實際上都會低于最大值,真實場合導通壓降和溫升要遠比上述計算結果低。

結論是整個電路無論從性能上和可靠性上都毫無問題。

控制電路的設計:

要實現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類觸發器來實現:

CMOS技術的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?

因為CMOS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MOFET的導通電阻有正面影響。對于P溝道MOSFET來說,與VCC電壓一致的高電平輸出才可以徹底關斷場效應管(P-MOS用作高邊開關而且在不重新設計控制電路的場合)。

電路圖如下:

輕觸開關實現開關機電路圖原理圖

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

在按鍵部分加入了由R3和C2組成的防止高速開關的延時保護電路,這樣就能防止輕觸開關失效時產生一次按鍵就導致多次開關狀態切換的狀況,保證一次按鍵產生一次電平翻轉。

但是此電路不能應付輕觸開關漏電的情況,此時控制失效,只能更換輕觸開關。

此電路上電時的初始狀態:

輸出端Q=高電平,所以兩只P溝道場效應管皆為關斷狀態。

但兩只場效應管的門極電壓卻是不同的,當Q=高電平(7.8V)時,7.8V供電支路的場效應管的VGS=7.8V-7.8V=0V,為關斷狀態;3.5V供電支路的場效應管的VGS=7.8V-3.5V=+4.3V,同樣為關斷狀態。

當按下開關S1后,D觸發器的輸出Q翻轉為低電平(0V),此時兩個場效應管的門極電平為0,那么7.8V支路的場管的VGS=0V-7.8V=-7.8V,為導通狀態;3.5V支路的場管的VGS=0V-3.5V=-3.5V同為導通狀態。

再次按下S1,輸出再次翻轉,實現電源的關閉。

以上所述電路設計完成,制作電源開關過程需要注意細節部分的閱讀,改裝后可以測試下開機和關機是否正常,以及輕觸式開關金屬彈片是否彈性正常,能否復位。


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