CN102332898A - 零待机功耗开关机电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零待机功耗开关机电路，包括通断状态锁止电路、待机按键和状态反转电路,通断状态锁止电路的输出端耦合到状态反转电路的输入端，对于处于关断状态的通断状态锁止电路，状态反转电路在待机按键接通瞬间输出开通电平信号，并延迟到一次按击结束后产生关断电平信号，通断状态锁止电路由开通电平信号触发进入开通状态并锁止成稳态，对于处于开通状态的通断状态锁止电路，状态反转电路在待机按键接通瞬间输出关断电平信号，并延迟到一次按击结束后产生开通电平信号，通断状态锁止电路由关断电平信号触发进入关断状态并锁止成稳态。本发明的开关机电路可以实现单键零功耗待机。
Description
技术领域
本发明涉及电池供电的设备，尤其是一种零待机功耗开关机电路。
背景技术
在常见的家电、设备的待机按键通常是使用MCU（微控制单元）进行处理，为了达到低功耗的要求，大多会让MCU进入睡眠或者停止模式，在这些模式下，MCU仍然会消耗几十uA的电流，这个数值的电流仍会加据电路功耗，尤其是电池供电系统的功耗。
如果要求达到零功耗，则通常只能通过在供电回路中串接电源开关，通过电源开关导通或断开回路来实现，但在很多应用中，这类开关的尺寸、寿命、功能要求及使用方式等都受到诸多限制。
发明内容
本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种开关机电路，既不需要使用传统的用以导通或断开回路的电源开关，消除了开关的限制，也不需要使用MCU进行控制从而达到零待机功耗。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种零待机功耗开关机电路，包括通断状态锁止电路、待机按键和状态反转电路, 所述通断状态锁止电路的输出端耦合到所述状态反转电路的输入端，所述待机按键设置于所述状态反转电路的输出端和所述通断状态锁止电路的触发控制端之间，且仅在受到按击时接通所述状态反转电路和所述通断状态锁止电路，所述通断状态锁止电路在开通状态下将电源电压输出至负载，在关断状态下断开电源电压与负载的连接，对于处于关断状态的所述通断状态锁止电路，所述状态反转电路在所述待机按键接通瞬间输出开通电平信号，并延迟到一次按击结束后产生关断电平信号，所述通断状态锁止电路由所述开通电平信号触发进入开通状态并锁止成稳态，对于处于开通状态的所述通断状态锁止电路，所述状态反转电路在所述待机按键接通瞬间输出关断电平信号，并延迟到一次按击结束后产生开通电平信号，所述通断状态锁止电路由所述关断电平信号触发进入关断状态并锁止成稳态。
优选地，所述通断状态锁止电路包括第一NPN三极管和第一PNP三极管，所述状态反转电路包括第二NPN三极管、第一二极管和第一电容，所述第一NPN三极管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一PNP三极管的集电极，所述第一NPN三极管的发射极耦合到电源负端或地，所述第一NPN三极管的集电极耦合到所述第一PNP三极管的基极，电源正端耦合到所述第一PNP三极管的发射极和所述第一NPN三极管的集电极，所述第一PNP三极管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一PNP三极管的集电极耦合到所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极耦合到所述第二NPN三极管的基极，所述第一二极管的阴极和所述第二NPN三极管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源负端或地，所述第二NPN三极管的发射极耦合到电源负端或地，所述第二NPN三极管的集电极耦合到电源正端和所述待机按键的第二接入点。
优选地，所述通断状态锁止电路包括第一PNP三极管和第一NPN三极管，所述状态反转电路包括第二PNP三极管、第一二极管和第一电容，所述第一PNP三极管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一NPN三极管的集电极，所述第一PNP三极管的发射极耦合到电源正端，所述第一PNP三极管的集电极耦合到所述第一NPN三极管的基极，电源负端或地耦合到所述第一NPN三极管的发射极和所述第一PNP三极管的集电极，所述第一NPN三极管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一NPN三极管的集电极耦合到所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极耦合到所述第二PNP三极管的基极，所述第一二极管的阳极和所述第二PNP三极管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源正端，所述第二PNP三极管的发射极耦合到电源正端，所述第二PNP三极管的集电极耦合到电源负端或地和所述待机按键的第二接入点。
优选地，所述通断状态锁止电路包括第一N沟道MOS管和第一P沟道MOS管，所述状态反转电路包括第二N沟道MOS管、第一二极管和第一电容，所述第一N沟道MOS管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一P沟道MOS管的集电极，所述第一N沟道MOS管的发射极耦合到电源负端或地，所述第一N沟道MOS管的集电极耦合到所述第一P沟道MOS管的基极，电源正端耦合到所述第一P沟道MOS管的发射极和所述第一N沟道MOS管的集电极，所述第一P沟道MOS管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一P沟道MOS管的集电极耦合到所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极耦合到所述第二N沟道MOS管的基极，所述第一二极管的阴极和所述第二N沟道MOS管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源负端或地，所述第二N沟道MOS管的发射极耦合到电源负端或地，所述第二N沟道MOS管的集电极耦合到电源正端和所述待机按键的第二接入点。
优选地，所述通断状态锁止电路包括第一P沟道MOS管和第一N沟道MOS管，所述状态反转电路包括第二P沟道MOS管、第一二极管和第一电容，所述第一P沟道MOS管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一N沟道MOS管的集电极，所述第一P沟道MOS管的发射极耦合到电源正端，所述第一P沟道MOS管的集电极耦合到所述第一N沟道MOS管的基极，电源负端或地耦合到所述第一N沟道MOS管的发射极和所述第一P沟道MOS管的集电极，所述第一N沟道MOS管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一N沟道MOS管的集电极耦合到所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极耦合到所述第二P沟道MOS管的基极，所述第一二极管的阳极和所述第二P沟道MOS管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源正端，所述第二P沟道MOS管的发射极耦合到电源正端，所述第二P沟道MOS管的集电极耦合到电源负端或地和所述待机按键的第二接入点。
优选地，通过调整所述第一电容与电阻的配置参数来调整所述延迟的时间。
所述电源电压可由锂聚合物电池提供。
本发明有益的技术效果是：
本发明的开关机电路用自身信号触发的方式实现了单键开关机，相比用MCU进行管理的方式，本发明在待机时的功耗为零，因此，本发明对于降低电子产品的功耗和延长待机时间来说具有重要意义。而且，为了实现零功耗，本发明并不使用传统的用以物理性地持续导通或断开回路的电源开关，本发明中的待机按键只提供触发信号，能够避免电源开关在实际应用中的固有缺点和限制。零待机功耗开关机电路可作为开关模块使用，也可根据不同的工作电压、电流要求选用不同的元件参数直接嵌入电路使用。
附图说明
图1-图4分别是根据本发明的四个实施例的电路图；
图5示出图1所示电路采用锂聚合物电池向负载供电的实施例。
具体实施方式
以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
在一种实施例中，零待机功耗开关机电路包括通断状态锁止电路、待机按键和状态反转电路, 通断状态锁止电路的输出端耦合到状态反转电路的输入端，待机按键设置于状态反转电路的输出端和通断状态锁止电路的触发控制端之间，且仅在受到按击时接通状态反转电路和通断状态锁止电路。通断状态锁止电路在开通状态下将电源电压输出至负载，在关断状态下断开电源电压与负载的连接。其中，通断状态锁止电路和状态反转电路按照以下方式配置：
对于处于关断状态的通断状态锁止电路，状态反转电路在待机按键接通瞬间输出开通电平信号，并延迟到一次按击结束后产生关断电平信号，通断状态锁止电路由开通电平信号触发进入开通状态并锁止成稳态，对于处于开通状态的通断状态锁止电路，状态反转电路在待机按键接通瞬间输出关断电平信号，并延迟到一次按击结束后产生开通电平信号，通断状态锁止电路由关断电平信号触发进入关断状态并锁止成稳态。“锁止”是指通断状态锁止电路进入稳态，在待机按键没有再次被按击而提供状态反转电路的下一次触发信号之前，通断状态锁止电路的输出状态保持不变，保持开通以将电源电压输出至负载，或者保持将电源与负载断开。“反转”（或称切换）是指状态反转电路输出一种触发信号（例如开通电平信号）后，将产生相反作用的另一种触发信号（例如关断电平信号），而由于延迟的存在，另一个触发信号在当次按击结束后才生成，以供在下次按击时送到通断状态锁止电路。从而，以上开关机电路能实现单键双稳态的切换，每次按击按键即控制向负载通电或对负载断电。
请参阅图1，在一个优选的实施例中，通断状态锁止电路包括第一NPN三极管Q4和第一PNP三极管Q2，状态反转电路包括第二NPN三极管Q3、第一二极管D2和第一电容C4，第一NPN三极管Q4的基极接到待机按键SW1的第一接入点，并通过电阻R12接第一PNP三极管Q2的集电极，第一NPN三极管Q4的发射极接电源负端或地VSS，第一NPN三极管Q4的发射极和基极之间接电阻R17，第一NPN三极管Q4的集电极通过电阻R8耦合到第一PNP三极管Q2的基极，电源正端VCC耦合到第一PNP三极管Q2的发射极，且通过电阻R7耦合到第一NPN三极管Q4的集电极，第一PNP三极管Q2的集电极作为通断状态锁止电路的输出端out，输出端out连至负载Loading。第一PNP三极管Q2的集电极耦合到第一二极管的阳极，第一二极管D2的阴极通过电阻R9耦合到第二NPN三极管Q3的基极，第一二极管D2的阴极和第二NPN三极管Q3的基极之间的节点通过第一电容C4与电阻R15并联耦合到电源负端或地VSS，第二NPN三极管Q3的发射极耦合到电源负端或地VSS，第二NPN三极管Q3的集电极通过电阻R6耦合到电源正端VCC，并接待机按键SW1的第二接入点。
如上所描述，通断状态锁止电路由两个导通方式相反的三极管Q2、Q4及相关偏置元件构成，通断状态锁止电路由按键SW1引入的电平状态来控制，可分别进入高电平锁止及低电平锁止，在锁止状态下，此两个三极管Q2、Q4形成的正反馈可使通断状态锁止电路进入稳态。
如上所描述，状态反转电路由一个三极管Q3及相关偏置元件构成反转电路，从通断状态锁止电路的锁止电平引入作为基极输入电平，该基极输入电平与供给按键切换状态用的集电极输出电平相反。因此，此电路产生与锁止电平相反的反转电平，作为使通断状态锁止电路的锁止电平反转的触发信号，以实现单键双稳态的切换。
图1所示电路的工作原理进一步描述如下：
如图1所示，三极管Q2、Q4构成了锁止电路，三极管Q2的偏置电阻R7、R8为其提供适当的工作点，三极管Q4为锁止管，其基极通过按键SW1引入目的锁止电压，当引入的电压为VCC时，NPN三极管Q4导通，其集电极将电压拉至VSS， PNP三极管Q2的基极得低电平使其导通，将输出端OUT与电源电压VCC接通；当引入电压为VSS时，NPN三极管Q4截止，R7将其集电极电压拉至VCC，PNP三极管Q2的基极电压等于VCC而截止，断输出端OUT与VCC；在放开按键SW1后此电平仍能提供锁止电平，如此，锁止电路进入稳态。
在锁止电路进入稳态后，状态反转电路通过二极管D2单向引入锁止电平，电阻R9、R15和电容C4构成消噪延时电路，通过电阻R10将锁止电压加在NPN三极管Q3的基极，锁止电压为高时NPN三极管Q3导通，其集电极输出电压为低，反之为高，NPN三极管Q3的集电极电压与引入的锁止电压始终相反。NPN三极管Q3的集电极接于按键SW1的一端，以用于在按下按键SW1后切换锁止电路的锁止电平。由于消噪延时电路的存在，使得状态反转电路的输出从一种集电极输出电平到另一种集电极输出电平之间产生延迟，从而使锁止电平的切换产生延迟，避免按键按下过程中发生多次切换。切换速度由消噪延时电路的参数决定。
从图1中可以看出，在锁上电平处于低电平时，所有三极管处于截止状态，所有阻性元件也没有电流通过，真正实现了零功率消耗。
图2-图4展示了另外三种实施例的开关机电路。开关机电路的器件在实际使用中可以根据不同的要求进行灵活的调整。例如，在图1所示电路的基础上，将PNP三极管和NPN三极管进行对换，并将电源正负端互调，或将三极管化成场效应管，如PNP三极管换成P沟道MOSFET，将NPN三极管换成N沟道MOSFET。图2-图4所示的开关机电路同样可以实现图1所示的开关机电路的功能，此处不再一一赘述。
图5是在一种由锂聚合物电池供电、输出为3.3V的稳态电源电路，包括图1所示的零待机功耗开关机电路，用于输出电池电压至相关负载。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种零待机功耗开关机电路，其特征在于, 包括通断状态锁止电路、待机按键和状态反转电路, 所述通断状态锁止电路的输出端耦合到所述状态反转电路的输入端，所述待机按键设置于所述状态反转电路的输出端和所述通断状态锁止电路的触发控制端之间，且仅在受到按击时接通所述状态反转电路和所述通断状态锁止电路，所述通断状态锁止电路在开通状态下将电源电压输出至负载，在关断状态下断开电源电压与负载的连接，对于处于关断状态的所述通断状态锁止电路，所述状态反转电路在所述待机按键接通瞬间输出开通电平信号，并延迟到一次按击结束后产生关断电平信号，所述通断状态锁止电路由所述开通电平信号触发进入开通状态并锁止成稳态，对于处于开通状态的所述通断状态锁止电路，所述状态反转电路在所述待机按键接通瞬间输出关断电平信号，并延迟到一次按击结束后产生开通电平信号，所述通断状态锁止电路由所述关断电平信号触发进入关断状态并锁止成稳态。
2.如权利要求1所述的零待机功耗开关机电路，其特征在于, 所述通断状态锁止电路包括第一NPN三极管和第一PNP三极管，所述状态反转电路包括第二NPN三极管、第一二极管和第一电容，所述第一NPN三极管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一PNP三极管的集电极，所述第一NPN三极管的发射极耦合到电源负端或地，所述第一NPN三极管的集电极耦合到所述第一PNP三极管的基极，电源正端耦合到所述第一PNP三极管的发射极和所述第一NPN三极管的集电极，所述第一PNP三极管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一PNP三极管的集电极耦合到所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极耦合到所述第二NPN三极管的基极，所述第一二极管的阴极和所述第二NPN三极管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源负端或地，所述第二NPN三极管的发射极耦合到电源负端或地，所述第二NPN三极管的集电极耦合到电源正端和所述待机按键的第二接入点。
3.如权利要求1所述的零待机功耗开关机电路，其特征在于, 所述通断状态锁止电路包括第一PNP三极管和第一NPN三极管，所述状态反转电路包括第二PNP三极管、第一二极管和第一电容，所述第一PNP三极管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一NPN三极管的集电极，所述第一PNP三极管的发射极耦合到电源正端，所述第一PNP三极管的集电极耦合到所述第一NPN三极管的基极，电源负端或地耦合到所述第一NPN三极管的发射极和所述第一PNP三极管的集电极，所述第一NPN三极管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一NPN三极管的集电极耦合到所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极耦合到所述第二PNP三极管的基极，所述第一二极管的阳极和所述第二PNP三极管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源正端，所述第二PNP三极管的发射极耦合到电源正端，所述第二PNP三极管的集电极耦合到电源负端或地以及所述待机按键的第二接入点。
4.如权利要求1所述的零待机功耗开关机电路，其特征在于, 所述通断状态锁止电路包括第一N沟道MOS管和第一P沟道MOS管，所述状态反转电路包括第二N沟道MOS管、第一二极管和第一电容，所述第一N沟道MOS管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一P沟道MOS管的集电极，所述第一N沟道MOS管的发射极耦合到电源负端或地，所述第一N沟道MOS管的集电极耦合到所述第一P沟道MOS管的基极，电源正端耦合到所述第一P沟道MOS管的发射极和所述第一N沟道MOS管的集电极，所述第一P沟道MOS管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一P沟道MOS管的集电极耦合到所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极耦合到所述第二N沟道MOS管的基极，所述第一二极管的阴极和所述第二N沟道MOS管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源负端或地，所述第二N沟道MOS管的发射极耦合到电源负端或地，所述第二N沟道MOS管的集电极耦合到电源正端和所述待机按键的第二接入点。
5.如权利要求1所述的零待机功耗开关机电路，其特征在于, 所述通断状态锁止电路包括第一P沟道MOS管和第一N沟道MOS管，所述状态反转电路包括第二P沟道MOS管、第一二极管和第一电容，所述第一P沟道MOS管的基极耦合到所述待机按键的第一接入点和所述第一N沟道MOS管的集电极，所述第一P沟道MOS管的发射极耦合到电源正端，所述第一P沟道MOS管的集电极耦合到所述第一N沟道MOS管的基极，电源负端或地耦合到所述第一N沟道MOS管的发射极和所述第一P沟道MOS管的集电极，所述第一N沟道MOS管的集电极作为所述通断状态锁止电路的输出端，所述第一N沟道MOS管的集电极耦合到所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极耦合到所述第二P沟道MOS管的基极，所述第一二极管的阳极和所述第二P沟道MOS管的基极之间的节点通过所述第一电容与电阻并联耦合到电源正端，所述第二P沟道MOS管的发射极耦合到电源正端，所述第二P沟道MOS管的集电极耦合到电源负端或地以及所述待机按键的第二接入点。
6.如权利要求2至5所述的零待机功耗开关机电路，其特征在于,通过调整所述第一电容与电阻的配置参数来调整所述延迟的时间。
7.如权利要求1至5所述的零待机功耗开关机电路，其特征在于,所述电源电压由锂聚合物电池提供。
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| 《包头钢铁学院学报》 20060630 周先谱 家用电器"零功耗"待机电源控制技术及其实现 178-183 1-7 第25卷, 第2期 * |
| 周先谱: "家用电器"零功耗"待机电源控制技术及其实现", 《包头钢铁学院学报》 * |
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