看看电路的多种实现方式，总有一种适合你

只看该作者 · 2024-11-25 15:17

@21小跑堂 #申请原创#
对于嵌入式硬件工程师，要设计一个故障维持电路的思路，比如电源电压过低的时候，停止给大负载供电，从而保护电路。基于这种需求肯定是先检测故障，然后通过程序判断故障，最后关闭控制电路，这种电路的框图就如下图所示。

基于以上工作的框图，硬件电路的设计就很简单。先通过比较器输出电压大小，随后在电池电压低于阈值12V的时候，比较器输出低电平，单片机检测比较器的低电平，然后就关闭Q1，从而停止给负载RL供电。

这种电路很容易实现，但是有些简单的产品没有单片机，低于电压就停止工作。此时就需要纯硬件电路的设计。就有很多的方案来实现。可能很多刚毕业的同学，就会说，上图不使用单片机，直接将比较器的输出，直接关闭Q1就可以了的。
由于比较器是在开关MOS后面M2采样的，关闭Q1后，比较器的同相端电压就会变化，从而造成开关MOS反复开关的。所以要解决这个问题，要么在MOS的M2之前采样，要么就是让M2检测到一次异常信号，就一直关闭。直到更换新电池，才能重新开启M2的。
电路的设计就是这样一步一步的改进，而不再是简单的copy了。直接在MOS之前采样，可以简化电路，单片机也不需要了。如果产品要求，一定要在MOS之后采样判断，那就需要使用短时间出发的脉冲，将M2彻底关闭。可以符合这种需求的电路，第一时间就想到了可控硅。只需要其控制级有触发信号，就可以一直维持电路状态不变。
比如下图的原理图，当输入电池电压开始是14V，比较器输出的是低电平，输出负载持续供电。一旦输入电池电压跌落到10V，比较器输出高电平，输出负载无电压。即使比较器检测负载的电压是0V，也依然不会再开启开关MOS。从而实现维持电路。

这种电路具有很高的实用价值，在很多手持小玩具上，都会使用这种电路。通过进一步分析可控硅的内部结构，发现内部是两个等效的三极管，NPN+PNP构造。三极管就太熟悉了，那么是否可以用三极管去替换可控硅，就能从原理上更清晰的理解维持电路的工作过程。

随后，就直接将NPN+PNP构造，再增加一些辅助电阻，就可以实现可可控硅一样的功能。

当电池电压高于12V的时候，比较器输出低电平，Q2-Q3组成的电路不开启。当电池电压低于12V的时候，比较器输出高电平，Q2-Q3组成的电路开启。即使随后比较器输出低电平，由于Q2和Q3已经导通，Q2的基级电流由Q3提供，Q3的基级电流通路由Q2提供，两者组成正反馈系统，相互影响，保证了Q2-Q3的复合电路持续导通。从而实现输出电压一直关闭的效果，实现了和可控硅一样的效果。
这种复合电路是正反馈，环路增益要满足大于1的时候才能正常工作，对电路设计由一定要求。通过进一步分析，差分对的电路，也可以实现同样的效果，而且两个三极管是相互独立，没有反馈的回路，设计更简单。
当电池电压高于12V的时候，比较器输出低电平，Q2无法开启,所以MOS管M2是打开。当电池电压低于12V的时候，比较器输出高电平，Q2开启，随后Q3和Q5开启。即使Q2关闭，依然不会影响Q3和Q5关闭。从而实现输出电压一直关闭的效果。

差分对电路，是两个NPN加一个PNP的三极管实现维持电路，那么是否可以完全使用NPN三极管？显然这种电路是存在的，只需要按着心中的目标区设计，就没有实现不了的。

上图的原理图就是用三个NPN的三极管实现，原理也很简单。在默认上电状态，同时电池电压高于12V的时候。Q3的基级经过R18和C1充电，实现Q3的开启。那么Q3的集电极就没有电压，Q2和Q4就同时关闭，比较器输出低电平，M2是开启状态。随着电池点啊元低于12V，比较器输出低电平，Q5导通。进而Q3关闭，就会将Q2持续打开。此时即使Q5关闭，依然不会改变Q2的状态，从而实现输出电压一直关闭的效果；
现在有了三个NPN三极管的维持电路，发现比较器的输出信号关闭Q3或者打开Q2，都可以持续维持，那么就可以不使用Q5也能实现功能，可以把电路简化为下图。而且Q2和Q3只需要一个，没有反馈回路，还降低整体功耗，个人觉得这是一个较好的维持电路。

讨论了以上几种电路的设计，从软件控制，到可控硅控制，到最后的分立件设计，全部可以实现维持电路的目标。方法多种多样，各个电路实现的方式原理不一样，根据项目的需求可以灵活变通。