一種簡易的自動(dòng)開／關(guān)機(jī)電路設(shè)計(jì)

摘   要：本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便可靠的開/關(guān)機(jī)電路。電路使用一個(gè)D觸發(fā)器，配合軟件上的處理實(shí)現(xiàn)單鍵開/關(guān)機(jī)、關(guān)機(jī)前重要數(shù)據(jù)自動(dòng)保存及自動(dòng)關(guān)機(jī)功能。
關(guān)鍵詞： 自動(dòng)關(guān)機(jī)電路；微處理器；CD4013

引言
    節(jié)電是各種電池供電設(shè)備所需考慮的首要因素。為防止用戶忘記關(guān)機(jī)，一些設(shè)備采用了自動(dòng)關(guān)機(jī)電路。此外，許多設(shè)備中使用一個(gè)開/關(guān)按鍵控制開啟或關(guān)斷電源，即使微處理器(MPU)正在處理關(guān)鍵程序，按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)關(guān)斷，造成重要數(shù)據(jù)的丟失。本文僅使用一個(gè)D觸發(fā)器設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單，使用方便可靠的開/關(guān)機(jī)電路。

電路設(shè)計(jì)
    實(shí)際設(shè)計(jì)的自動(dòng)開/關(guān)機(jī)電路如圖1所示。其中U1A為雙D觸發(fā)器CD4013，外接電池電源由Vin輸入。Q輸出通過阻值為472W的R5、103W的R4和NPN型三極管Q2反向驅(qū)動(dòng)后，與開關(guān)電源芯片的開關(guān)引腳相連。以MAX1626為例，當(dāng)SHDN為高時(shí)關(guān)閉電源，SHDN為低時(shí)打開系統(tǒng)電源。

    復(fù)位式按鍵S1為系統(tǒng)電源開/關(guān)鍵。C1和R2組成RC網(wǎng)絡(luò)，使得在S1按下后，保證R有12×104×10-3=120ms的延遲時(shí)間處于高電平。CD4013的D、CLK端接輸入電源地，保證其處于低電平。置位引腳R一端通過103W的電阻接電源地，另一端通過三極管Q3與MPU的I/O口相連。S1的右端與阻值為103W的R1相連，控制Q1開通。Q1的集電極與地之間接通穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管的輸出與MPU的I/O口相連。

圖1  自動(dòng)開/關(guān)機(jī)電路原理圖

設(shè)計(jì)原理
    開/關(guān)機(jī)電路的核心器件是一個(gè)D型觸發(fā)器，型號(hào)為CD4013。其真值表如表1所示。觀察其真值表可已看出，無論CLK為何種狀態(tài)，S為0時(shí)，輸出Q為0；R為0時(shí)，輸出Q為1；而當(dāng)R、S均為1時(shí)，輸出Q為1；當(dāng)R和S均為0時(shí)，只要CLK不產(chǎn)生上升沿脈沖，輸出Q會(huì)保持前一輸出狀態(tài)。本電路正是利用R、S均為零時(shí)的狀態(tài)保持特性來實(shí)現(xiàn)開/關(guān)機(jī)功能的。

    由于本電路處于開/關(guān)電源前端，在電池接入狀態(tài)下，無論系統(tǒng)電源是否打開，都處于工作狀態(tài)。CD4013的輸入電壓范圍為3~15V，因此本電路可以保證在寬電壓輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

系統(tǒng)開機(jī)原理
    當(dāng)按下開機(jī)按鈕S1時(shí)，S與高電平接通，S=1。查閱真值表可得，當(dāng)R=1，S=1時(shí)，輸出Q應(yīng)穩(wěn)定輸出1，經(jīng)過三極管反向后，電源控制引腳SHDN為低電平，打開系統(tǒng)電源。通常MPU進(jìn)行初始化時(shí)會(huì)將I/O引腳置為高電平，由于RC網(wǎng)絡(luò)的延遲作用，S1按下后可以保證S端約有120ms處于高電平(保證開機(jī)穩(wěn)定條件：RC網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間＞系統(tǒng)上電復(fù)位并將POWER_CTL狀態(tài)穩(wěn)定為1的時(shí)間)。經(jīng)過三極管Q3反向，此時(shí)S=1，R=0，Q端輸出1，系統(tǒng)電源處于打開狀態(tài)。

    MPU延遲后讀取STATE引腳的狀態(tài)。如果此時(shí)STATE為低電平，則確認(rèn)Q1導(dǎo)通，S1曾按下，確認(rèn)用戶開機(jī)程序正常運(yùn)行。如果此時(shí)STATE為高電平，則表明Q1截止，開機(jī)信號(hào)為誤動(dòng)作，程序執(zhí)行關(guān)機(jī)程序。

    當(dāng)RC網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間過后，S端由1轉(zhuǎn)為0，此時(shí)S=0，R=0，查閱真值表得出此時(shí)輸出Q應(yīng)該維持前一輸出狀態(tài)，即保持系統(tǒng)開通電源狀態(tài)。

系統(tǒng)關(guān)機(jī)原理
    作為節(jié)電產(chǎn)品，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)沒有工作，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入關(guān)機(jī)程序，在保存重要數(shù)據(jù)后，自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)。

    當(dāng)用戶手動(dòng)關(guān)機(jī)，按下S1時(shí)，Q1打開，STATE的狀態(tài)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑琈PU檢測(cè)到STATE的狀態(tài)變化后，經(jīng)過延時(shí)再次檢測(cè)STATE狀態(tài)，如仍為低電平，則確認(rèn)為關(guān)機(jī)指令，程序?qū)⒈４嬷匾獢?shù)據(jù)，關(guān)閉所有中斷，然后將I/O引腳POWER_CTL置為低電平，程序進(jìn)入循環(huán)等待關(guān)機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，I/O口狀態(tài)經(jīng)過Q3反相后使觸發(fā)器R=1，S=0，查閱真值表可得Q端應(yīng)該穩(wěn)定輸出0，經(jīng)過三極管Q2反向驅(qū)動(dòng)后，電源控制引腳SHDN為高電平，關(guān)閉系統(tǒng)電源。

    電源芯片關(guān)閉后，隨著電容放電，MPU的供電電壓不斷下降，引腳POWER_CTL變?yōu)椴欢顟B(tài)，但查閱真值表，無論此時(shí)R端電位高或低，輸出Q都為低電平，穩(wěn)定的使系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。

    隨著電容繼續(xù)放電，I/O引腳POWER_CTL穩(wěn)定為低電平，此時(shí)觸發(fā)器引腳R=1，S=0，穩(wěn)定維持輸出Q為低電平，保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定關(guān)斷。

設(shè)計(jì)的改進(jìn)
    實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)更換供電電源時(shí)，觸發(fā)器初始上電，D、CLK和R端下拉至地，保持穩(wěn)定狀態(tài)為0。而由于電容C1的充電作用，有可能使S=1，查閱真值表，當(dāng)S=1，R=1時(shí)，輸出Q為高電平，致使Q2導(dǎo)通，SHDN為高電平，打開系統(tǒng)。

    為了解決更換電源時(shí)系統(tǒng)有可能自動(dòng)開機(jī)問題，在系統(tǒng)上電程序開始執(zhí)行并延遲500ms后重新讀取STATE狀態(tài)。初始階段，Q1導(dǎo)通，STATE狀態(tài)為低電平。而隨著RC網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間過后，S端電位由高電平變?yōu)榈碗娖?，Q1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，STATE狀態(tài)由低電平重新轉(zhuǎn)換為高電平。MPU延時(shí)后讀取的STATE如果為高電平，則認(rèn)為是誤開機(jī)，程序執(zhí)行關(guān)機(jī)程序，重新關(guān)閉系統(tǒng)電源。如果STATE仍為低電平，則確認(rèn)是開機(jī)指令，程序正常執(zhí)行。因此要求用戶在開機(jī)時(shí)，按下S1并保持500ms以上。
MPU開機(jī)初始化程序流程如圖2所示。

圖2  MPU開機(jī)初始化程序流程圖

結(jié)語
     本電路相對(duì)其它電路結(jié)構(gòu)簡單，使用器件較少。配合軟件處理，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)開/關(guān)機(jī)功能，對(duì)一般應(yīng)用來說是較好的選擇。