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[电池电源管理]

电源断电控制电路

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中颖电子的很多产品是定位于家电和工控应用,关机电流(@掉电模式)在5~10μA左右,不适合低功耗应用。如果想将这些产品用于更低关机功耗需求的应用,可以用本文介绍的控制电路,实现零关机电流。

电源断电控制电路的工作原理是:用外部启动信号和MCU的GPIO通过MOS开关管控制系统电源的通电和断电。因为系统在关机状态是真实断电、没有功耗,关机电流近乎为零。

常见的外部启动信号包括按键启动、插入启动等,例如:按开机键启动血压计、插入试纸启动血糖仪。根据有效逻辑的不同,启动信号可以分为两种:高有效信号和低有效信号。两种启动信号对应的控制电路有一些区别,下文用按键举例分别进行说明。

1.     高有效信号的断电控制电路

高有效信号是指信号的无效状态(按键释放)是低电平或高阻态,有效状态(按键按下)是高电平。高有效信号的电源断电控制电路见下图。



图1. 高有效信号的控制电路,Q2是N-MOS管

图中:

(1)K1是启动键,MCU是系统控制器。

(2)VBAT是外部供电电源,VDD是系统电源,KEY_IN和CTRL_OUT是MCU的GPIO。

(3)Q1是P-MOS管,Q2是N-MOS管。

操作流程:

关机状态下,Q1和Q2都处于截止状态,系统断电。

按下启动键K1后,VBAT经过K1和D1加载到Q2栅极,Q2导通;Q1栅极被下拉到低电平,Q1导通;VBAT给VDD供电,系统上电启动。

MCU上电后,首先将KEY_IN引脚设置为输入状态,用于检测按键状态,并使能此引脚的内部下拉电阻(如果没有内建下拉电阻,则要在KEY_IN引脚上外接下拉电阻)。然后将CTRL_OUT引脚设置为输出高电平,用于锁住Q2导通状态。此时,即使释放了启动键,Q2仍然保持导通状态,系统正常供电。

工作状态下,按下K1键,KEY_IN是高电平;释放K1键,KEY_IN是低电平。

需要关机时,MCU只要设置CTRL_OUT引脚输出低电平(@启动键已经释放),就可以控制Q2和Q1依次进入截止状态,系统断电关机。

图1中的Q2可以替换成价格更低的NPN三极管,功能不变,电路如下。



图2. 高有效信号的控制电路,Q2是NPN管

2.     低有效信号的断电控制电路

低有效信号是指信号的无效状态(按键释放)是高电平或高阻态,有效状态(按键按下)是低电平。低有效信号的电源断电控制电路见下图。



图3. 低有效信号的控制电路,Q2是NMOS管

低有效信号控制电路和高有效信号控制电路相比,主要是增加了一个N-MOS管Q3,用于在开机状态给启动键提供地电位。

操作流程:

关机状态下,Q1、Q2和Q3都处于截止状态,系统断电。

按下启动键K1后,VBAT经过K1和D1加载到Q2栅极,Q2导通;Q1栅极被下拉到低电平,Q1导通;VBAT给VDD供电,系统上电启动。

MCU上电后,首先将KEY_IN引脚设置为输入状态,用于检测按键状态,并使能此引脚的内部上拉电阻。然后将CTRL_OUT引脚设置为输出高电平,用于锁住Q2导通状态;同时将Q3导通,为K1键提供地电位。

工作状态下,按下K1键,KEY_IN是低电平;释放K1键,KEY_IN是高电平。

需要关机时,MCU先关闭KEY_IN引脚的上拉电阻,然后设置CTRL_OUT引脚输出低电平(@启动键已经释放),就可以控制Q3、Q2和Q1依次进入截止状态,系统断电关机。

备注:在启动阶段,K1键仍然是高有效,按下K1键KEY_IN是高电平。MCU启动后,使能KEY_IN上拉电阻,并用CTRL_OUT导通Q3后,K1键才切换为低有效,按下K1键KEY_IN是低电平。

图3中的Q2同样可以用价格更低的NPN三极管替换,功能不变,电路如下。


图4. 低有效信号的控制电路,Q2是NPN管

3.      补充说明

(1)使用电源断电控制电路,只能通过启动信号启动系统,供电电源(VBAT)上电无法启动系统。例如,更换电池后系统不会直接启动,必须再按一次启动键才能启动系统。

(2)工作漏电和电阻值选择

使用电源断电控制电路,会给工作状态额外增加大约几十微安的漏电,包括:
-    VBAT通过R1-Q3漏电
-    VBAT通过R2-R3-Q2漏电
-    KEY_IN/CTRL_OUT通过D1/D2-(R5)-R4的漏电
-    CTRL_OUT通过R6漏电

这些漏电的大小与VBAT电压和R1/R2/R4/R6的阻值相关,R1推荐阻值100k~470kΩ,R2/R4/R6推荐阻值470k~1MΩ。下表是SH86F7088+低有效信号控制电路的漏电数据。

表1. SH86F7088+低有效信号控制电路的漏电(@7088在PowerDown模式)



(3)R1阻值选择、D1和Q2选型

在低有效信号的电源断电控制电路中,当启动键K1按下时,VBAT通过R1-K1把KEY_IN拉高,因为MCU引脚内部电路的影响(此时MCU无电),KEY_IN并不能被拉到VBAT电压,R1电阻越大,KEY_IN电压越低。下表是SH86F7088无电条件下外部上拉实测数据。

因此,R1阻值、D1和Q2选型时,必须要保证KEY_IN电压经过二极管D1的压降后仍然高于Q2的栅极阈值电压VGS(或基级-发射级导通电压VBE(on)),才能确保Q2导通。

表2. SH86F7088无电条件下外部上拉测试数据





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沙发
狄克爱老虎油| | 2024-7-22 12:31 | 只看该作者
更换电池不自动启动是为了做保护吗?

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