CN103066978A - 一种开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电路，能够降低产品对空间的要求，提高产品设计的灵活性及使用寿命，且抗干扰性能高，性能可靠。本发明实施例提供的开关电路包括触发按钮、半导体控制器件和开关管，在开关电路处于断开状态下，触发按钮受到触发时，开关管导通，开关电路从断开状态切换为开启状态，且半导体控制器件导通；导通后的半导体控制器件保持开关电路的所述开启状态；在开关电路处于开启状态下，触发按钮受到触发时，流过半导体控制器件的电流被旁路，半导体控制器件关断，触发按钮弹起后，开关管断开，并在开关管断开时，开关电路从开启状态切换为断开状态。

Description

一种开关电路

技术领域

本发明涉及半导体应用技术领域，尤其是涉及一种能够实现电源的可靠通断、结构简单的开关电路。

背景技术

开关电路是绝大多数系统必须用到的一部分，用于接通或者关断总电源与系统之间的供电，或者控制系统电源与子系统之间的供电关系。

现有的开关电路中，主要有如下两种方案：第一种方案直接采用机械限位开关，通过机械运动，使电路在物理上处于导通或断开状态；第二种方案是采用复杂的芯片做成专门的控制开关电路，实现输入输出(IO)之间的导通或断开，或者采用微程序控制器(Microprogrammed Control Unit，MCU)与触发按钮组合，用触发按钮控制MCU的状态进而实现输入输出之间的连通或断开。

然而，现有的开关电路存在诸多不足之处，例如，

对第一种方案，机械限位开关一般体积相对较大，结构上不容易实现，操作相对比较复杂，且连通和断开的瞬间存在电磁干扰(Electro-Magnetic Interference，EMI)的问题，使用寿命相对较短，其结构设计对空间要求较高，影响了整体开关电路结构设计的灵活性；

相比于第一种方案，第二种方案能够减少开关电路所占空间，但第二种方案的开关电路需要专门的控制芯片或者MCU，所需硬件成本相对较高，电路复杂度大，还需要额外的代码编写的工作。并且，由于触发按钮的输入或者MCU的IQ本身对电压很敏感，导致出现静电感应现象的几率较高，很难实现静电放电(Electro-Staticdischarge，ESD)，使产品面临电磁兼容性(Electro MagneticCompatibility，EMC)较差的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种开关电路，能够降低产品对空间的要求，提高产品设计的灵活性及使用寿命，且提高产品的抗干扰性能。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种开关电路，该开关电路包括触发按钮、半导体控制器件和开关管，其中，上述开关管的输入端与直流电源相连接，上述开关管的控制端通过第一电阻与直流电源相连接，上述开关管的输出端与负载相连接，上述触发按钮、半导体控制器件分别连接在上述开关管的控制端；

在开关电路处于断开状态下，上述触发按钮受到触发时，上述开关管导通，上述开关电路从断开状态切换为开启状态，且上述半导体控制器件导通；

导通后的半导体控制器件保持开关电路的上述开启状态；

在开关电路处于开启状态下，上述触发按钮受到触发时，上述半导体控制器件关断，并在上述开关管断开时，上述开关电路从开启状态切换为断开状态。

进一步的，上述半导体控制器件为可控硅整流元件，或者，上述半导体控制器件为两个三极管的组合，上述两个三极管的组合包括第一NPN型三极管和第二PNP型三极管。

进一步的，上述开关电路还包括第四电阻，在上述半导体控制器件为三极管组合时，上述第二PNP型三极管的集电极和第一NPN型三极管的基极连接后通过上述第四电阻接地。

进一步的，上述开关电路还包括第三电阻，在上述半导体控制器件为三极管组合时，上述第一NPN型三极管的发射极通过上述第三电阻接地。

进一步的，上述开关电路还包括第二电容，上述第二电容并联在上述第四电阻两端，且上述第二电容的正极与上述第一NPN型三极管的基极相连，上述第二电容的负极接地。

进一步的，上述开关电路还包括第一电容和第七电阻，上述第一电容和第七电阻并联连接在上述触发按钮和上述开关管的控制端之间，其中，上述第一电容的正极与上述控制端相连，上述第一电容的负极与上述触发按钮相连。

进一步的，上述第一电容的容值大于上述第二电容的容值。

进一步的，上述开关电路还包括第四电容和第五电阻，上述第五电阻的一端连接至上述开关管的输出端，上述第五电阻的另一端连接至上述第四电容的正极，上述第四电容的负极接地。

进一步的，上述开关电路还包括第三NPN型三极管，上述第三NPN型三极管的集电极与上述触发按钮相连接，上述第三NPN型三极管的发射极接地，上述第三NPN型三极管的基极通过上述第四电容接地。

进一步的，上述开关电路还包括第八电阻，在上述半导体控制器件为两个三极管的组合时，上述触发按钮通过上述第八电阻与第一NPN型三极管的基极相连接。

由上述可见，本发明实施例利用触发按钮搭配半导体控制器件以及开关管，提供了一种新型的开关电路，能够实现电源的可靠通断。

本技术方案采用触发按钮，从而相对机械限位开关具有较小的体积和灵活的外形，降低了产品对空间的要求，提高了产品设计的灵活性，操作更加简便省力，且避免了机械限位开关在连通和断开的瞬间所造成的EMI问题，提高了产品的使用寿命。

并且，本技术方案无需复杂的控制芯片或者MCU，避免了额外的代码编写的工作，所采用器件均为最普通常用的半导体器件，结构简单，显著降低了硬件成本和开发成本，具有较高的可行性；

进一步的，本技术方案提供的开关电路中各器件对静电不敏感，抗干扰性能相当高，性能可靠，在实践中，本方案能够得到理想的ESD测试结果，且在长按和快速按动触发按钮的情况下也能够实现无误操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种开关电路的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种开关电路结构的示意图；

图3为本发明实施例二提供的三极管组合与可控硅的等效替换原理图；

图4为本发明实施例三提供的开关电路开机操作模式下的工作原理示意图；

图5为本发明实施例三提供的开关电路关断操作模式下的工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一提供了一种开关电路，参见图1，所述开关电路包括触发按钮S1、半导体控制器件和开关管Q4，所述开关管包括输入端11、输出端12和控制端13，当输入端11和控制端13之间的电压差满足开启条件时，所述开关管的输入端11和输出端12之间导通，即所述开关管导通；

所述输入端11与直流电源相连接，所述控制端13通过第一电阻R1(简称为电阻R1)与直流电源相连接，所述输出端12与负载相连接，所述触发按钮、半导体控制器件分别连接在所述控制端13；

在开关电路处于断开状态下，所述触发按钮受到触发时，所述控制端13的电压发生变化，当所述输入端11和控制端13之间的电压差满足开启条件，所述开关管导通，所述开关电路从断开状态切换为开启状态，且所述半导体控制器件导通；

导通后的半导体控制器件能够保持所述开关管的开启条件，即导通后的半导体控制器件保持开关电路的所述开启状态；

在开关电路处于开启状态下，所述触发按钮受到触发时，所述控制端13的电压发生变化，流过半导体控制器件的电流被旁路，所述半导体控制器件关断，所述输入端11和控制端13之间的电压差不满足开启条件，所述开关管断开，在所述开关管断开时，所述开关电路从开启状态切换为断开状态。

进一步的，上述半导体控制器件可以为可控硅整流元件，或者，可以由两个三极管的组合实现，该三极管组合包括一个PNP型三极管和一个NPN型三极管，如第一NPN型三极管Q1和第二PNP型三极管Q2。

进一步的，上述开关管Q4可以为P型的MOS管，或者，上述开关管Q4可以为PNP型三极管。

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在发明的各实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

下面对本发明实施例二提供的开关电路进行说明。本实施例提供了一种具有较低成本、高性能的开关电路，其克服了现有方案的不足，相对现有方案，本开关电路在空间占用、电路复杂度、价格成本、可靠性等各个方均有很高优越性。参见图2，本发明实施例二提供的开关电路结构的一个示例中包括输入部分、开关电路部分和输出部分。

如图2所示，虚线框1为输入部分(或称为电源部分)，即本示例电路的输入端，本示例中电源以电池为例说明，电池正极接开关电路部分的输入端，电池负极为本示例电路的地电平，简称地。虚线框3为输出部分，输出部分接入负载，本示例以第六电阻R6(简称电阻R6)和发光二极管D1串联作为负载，电阻R6作为发光二极管D1的限流电阻与D1阳极相连，D1阴极接地。可以理解，上述负载中所包含的器件，可以选取任意其他所需供电的器件，只要输入部分所提供的电源能够满足这些器件的供电需求即可。

虚线框2为开关电路部分，用于控制输入部分与输出部分之间电路的导通和断开。开关电路部分为本方案的核心部分，构成开关电路部分的开关电路包含触发按钮，三极管组合或者可控硅，开关管，电阻和电容，由这些器件共同实现开关通断的双重功能。下面主要对开关电路中的各器件及其工作原理进行说明。

开关管

上述开关管，用于受控连通或者断开输入部分与输出部分之间的操作，即通过控制开关管连通输入部分与输出部分，使电源向负载供电，或者，通过控制开关管断开输入部分与输出部分，使电源不再向负载供电。

上述开关管为一个三端的半导体器件，该开关管的三端包括输入端、输出端和控制端，当输入端和控制端之间的电压差满足开启条件时，所述开关管的输入端和输出端之间导通。

优选的，本实施例中采用一个P型MOS管作为开关管，标号为Q4。MOS管Q4的源极(S)即为开关管(或开关电路)的输入端，与电源直接连接，MOS管Q4的漏极(D)即为开关管(或开关电路)输出端接负载。MOS管Q4的栅极(G)作为开关管的控制端，通过电阻R1与电源相连。即MOS管Q4的源极为开关管的输入端，MOS管Q4的漏极为开关管的输出端，MOS管Q4的栅极为开关管的控制端。

图2中控制端还连接有第二电阻R2(简称电阻R2)，以起到限流作用，可选的，该电阻R2可省略，用导线替代，在此将电阻R2两端均称为MOS管Q4的栅极(G)。

可选的，本实施例中还可以采用一个PNP型三极管作为上述开关管，该PNP型三极管的发射极作为开关管的输入端，该PNP型三极管的集电极作为开关管的输出端，该PNP型三极管的基极作为开关管的控制端。

半导体控制器件

上述半导体控制器件可以由可控硅整流元件(简称为可控硅)实现。在可控硅的工作原理中，其导通条件为阳极(A)加足够的正电压并且控制极(G)加一正电压，两者同时存在时，可控硅导通。当可控硅导通后，控制极上有无电压不影响其持续导通状态。其断路的条件为阳极电压消失或者流过可控硅的电流小于其持续导通电流，所以关断阳极电压的供应或者将可控硅阳极电流旁路到地两者任意一个操作都能改变可控硅的状态。

上述半导体控制器件也可以由能够替代可控硅的三极管组合实现，该三极管组合包括一个PNP型三极管和一个NPN型三极管，如第一NPN型三极管Q1(简称NPN型三极管Q1)和第二PNP型三极管Q2(简称PNP型三极管Q2)。半导体控制器件用于控制并维持开关状态，可控硅的阳极或三极管组合中PNP型三极管Q2的发射极与开关管的控制端相连。

参见图3，显示了三极管组合与可控硅的等效替换原理图。图3中标号(a)所对应的器件为可控硅；将可控硅沿虚线所示方向剖开后可看成由两个三极管组成，参见标号(b)所对应部分，转换后得到两个三极管，如标号(c)的部分所示。

三极管组合中PNP型三极管Q2的发射极等效于可控硅的阳极，PNP型三极管Q2的基极与NPN型三极管Q1的集电极链接，PNP型三极管Q2集电极与NPN型三极管Q1的基极链接并等效于可控硅的控制极，NPN型三极管Q1的发射极等效于可控硅的阴极。

在图2采用三极管组合的等效方案中，利用三极管Q1与Q2组合来维持开关状态。三极管Q2为一PNP型三极管，三极管Q1为一NPN型三极管，三极管Q2发射极(E)与Q4栅极(G)相连，三极管Q2的基极(B)与三极管Q1的集电极(C)相连，三极管Q2的集电极(C)与三极管Q1的基极(B)相连，三极管Q1的发射极(E)通过第三电阻R3(简称电阻R3)接到地。三极管Q1的基极通过电阻R4接到地，三极管Q1基极接第二电容C2(简称电容C2)正极，C2负极接地。

在电容C2两端还可以并联电容C3，以对电路进行进一步调整，如进行滤波等，该电容C3不是必须的，可以省略。

触发按钮

触发按钮用于触发输入部分与输出部分之间的导通和关断的双重操作。触发按钮在受到外力被按下后，可以自动弹起。

除了上述三个关键器件之外，本开关电路中还设置了其他器件及其连接关系，以保证开关电路开启或断开的成功实现，例如：

第一电容C1(简称电容C1)与第七电阻R7(简称电阻R7)并联，电容C1正极与开关管Q4的栅极(G)以及PNP型三极管Q2的发射极(E)连接在一起，电容C1负极与触发按钮S1的第2端相连。触发按钮S1的第1端接第八电阻R8(简称电阻R8)一端，且通过电阻R8的另一端与NPN型三极管Q1的基极相连。同时，触发按钮S1与电阻R8相连的这一端(即第1端)还与第三NPN型三极管Q3(简称NPN型三极管Q3)的集电极(C)相连。NPN型三极管Q3的发射极(E)直接接地，NPN型三极管Q3的基极(B)接电容C4的正极，电容C4的负极接地。同时，NPN型三极管Q3的基极(B)还通过第五电阻R5(简称电阻R5)上拉到本开关电路的输出端，即开关管Q4的漏极(D)，二极管D2作为加速放电的器件，与电阻R5并联，其阳极接于电容C4正极，阴极接于输出端，二极管D2视调试情况也可以省略。

上述在描述连接关系时，为了使连接关系更加清楚，结合图2中的标记，利用触发按钮的第1端和第2端描述触发按钮与其他器件之间的连接关系，可以理解，对于触发按钮可以不明确区分第1端和第2端，只需通过触发按钮的按下或弹起，使相关元件之间形成电流通路或断路即可。

参见图2，本电路结构的开关电路中包含三组电阻和电容的组合，具体如下：

组合1：电阻和电容器件组合1(电容C1、电阻R7)，电阻R7和电容C1并联后接在开关管控制端栅极(G)与触发按钮的第2端之间，隔离触发按键对电源的影响，通过对其电容C1的充放电操作，防止长按误动作，创建电流通道，保证开关电路的可靠操作。

组合2：电阻和电容器件组合2(电容C2、电阻R4)，第四电阻R4(简称电阻R4)和电容C2并联，然后接在可控硅的控制极与地之间，或者接在用于替代可控硅的三极管组合中NPN型三极管Q1的基极与地之间。通过其对此电容C2的充放电操作，用于调节开关机时间，防止外部干扰造成开机误动作，保证开关电路的可靠操作。

组合3：电阻和电容器件组合3(电容C4、电阻R5)，第四电容C4(简称电容C4)接在NPN型三极管Q3的基极与地之间，且电容C4正极通过电阻R5接到输出端，其中NPN型三极管Q3用于控制输入端和输出端的连通或者关断。通过对此电容器件C4的充电操作，用于调节NPN型三极管Q3导通所需时间，保证开关电路可靠操作。

下面结合上述具体器件对本开关电路的工作方式进行说明，具体包括下述开机操作模式和关断操作模式：

开机操作模式

若开关电路当前处于断开状态，而根据需求需要切换至开启状态时，即开关电路在开机操作模式中，通过如下操作实现导通开关管输入端和输出端(即导通开关电路输入端和输出端)的操作：

在输入端与输出端处于断开状态的情况下，按下触发按钮S1，由于电阻和电容器件组合1和电阻和电容器件组合2的存在，电阻和电容器件组合1将电流快速加到电阻和电容器件组合2上，进而将电压加到可控硅的控制端或者替代可控硅的三极管组合中NPN型三极管Q1的基极，触发所述可控硅或者三极管组合的导通，同时打开开关管让输入端和输出端导通，电源开始向负载供电，且由于此时可控硅已经导通或者三极管组合进入互相锁定饱和导通状态，开关管控制极持续处于较低电位，即使触发按钮S1断开，可控硅或三极管组合能够保持开关管的开启条件，开关管仍然继续导通，完成开机操作。

关断操作模式

若开关电路当前处于开启状态，而根据需求需要切换至断开状态时，即开关电路在关断操作模式中，通过如下操作实现断开输入端和输出端的操作：

在开关管输入端与输出端处于导通状态的情况下，输出部分的电源使NPN型三极管Q3处于饱和导通状态。此时按下触发按钮S1，由于上述电阻和电容器件组合1中的电容的瞬时特性，将开关管控制端电流通过触发按钮S1和NPN型三极管Q3导入到地，即流过半导体控制器件的电流被旁路，从而使可控硅或者替代可控硅的三极管组合关断，触发按钮S1自动弹起后，开关管输入端与输出端断开，开关电路从开启状态切换为断开状态。

下面结合一个具体的场景进一步对本发明实施例三提供的开关电路的工作原理进行说明。

在本实施例的开关电路中，选取直流电源(电池)的输入电压VIN为5V，输入电压VIN的具体数值可以根据需要进行调整。参见图4，在本实施例中主要以采用三极管组合作为半导体控制器件的场景为例进行说明。

若开关电路的初始状态为断开状态，下面结合图4，分析本发明电路的开关工作原理：

开机操作模式

在使用的初始阶段，触发按钮S1没有被按下，输入电压VIN为5V，NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2处于截止状态，开关管Q4的栅极G和源极S之间电位相等，开关管Q4处于断开状态，输出端VOUT无输出。

当输入端与输出端处于断开状态时，整个电路基本上没有电流消耗，最小静态电流能到1uA，可以看成电池的自放电。

如图4所示，初始状态下，假设开关电路处于关断状态，此时电路中几个关键点的电位如下：

A点：为电池电压5V。

B点：为电池电压5V，开关管Q4的源极(S)和栅极(G)等电位。开关管Q4未导通，三极管Q1和Q2此时也为截止状态。

C点：由于触发按钮S1为断开状态，因电阻R7的存在，此时电容C1两端电压相等，为电源电压5V。

D点：由于开关管Q4为断开状态，所以此时D点电压为0V。

E点：由于三极管Q1和Q2截止，此时E点电压为0V。

F点：0V。

G点：与输出端电压相等，为0V。

如图4所示，为了打开开关电路，使电源从输入端输出到输出端的负载，只需按下触发按钮S1，使触发按钮S1的第1端和第2端短接上，此时，电容C1上的电流通过通路1所示的线路。电阻R7和电容C1相当于一个辅助电源，当触发按钮S1按下后，通过触发按钮S1和电阻R8向电容C2充电。

由于电阻R7的存在，在触发按钮S1按下之前，电容C1两端电压为电源电压5V，由于电容两端电压不能突变，在触发按钮S1按下瞬间，电容C1两端电压不变，而流过触发按钮S1的电流为I＝5/R8，应此B点电压变化不大，随着电容C1的放电和电容C2的充电，B点和C点电压逐渐降低，而E点电位逐渐升高，最后，如果不考虑三极管Q1和Q2、Q3的导通情况，

B点电压稳定在：U_B＝5*(R7+R8+R4)/(R1+R7+R8+R4)，

C点电压稳定在：Uc＝5*(R8+R4)/(R1+R7+R8+R4)。

E点电位到一定值之后，NPN型三极管Q1开始导通，NPN型三极管Q1的导通导致PNP型三极管Q2的基极被拉低，于是PNP型三极管Q2导通，PNP型三极管Q2的导通又会通过其集电极(C)将电压加到NPN型三极管Q1的基极(B)上，于是三极管组合Q1和Q2进入互锁定饱和导通状态，B点电流按通道2所示通过PNP型三极管Q2和NPN型三极管Q1、电阻R3到地，此时即便触发按钮S1断开，电流通路1上没有电源过来供给NPN型三极管Q1基极，但是NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2仍然处于饱和导通状态。由于NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2的饱和导通，电流通道2的出现，B点电压下降到1V以下，于是开关管Q4的源极(S)电压高于栅极(G)，开关管Q4导通，电源电压从输入端加到输出端的负载上，开关电路从断开状态切换为开启状态，开机完成。

在开关管Q4导通过程中，开关管Q4作为电流通路的开关，触发按钮S1用来触发开关管Q4的导通，三极管组合Q1、Q2用来维持Q4的导通状态。

电容C1与电阻R7相当于辅助电源，用来隔离B点和触发按钮S1，利用电容的充放电原理，在触发按钮S1导通瞬间让电流通路1有较大的电流为电容C2充电，加快开机速度，为了提供足够的能量，电容C1的容值需大于电容C2，电阻R7的作用是静态时使电容C1两端电压一致。

电阻R3用来限流，且能提高NPN型三极管Q1的导通电压，防止NPN型三极管Q1受干扰时的误动作。

电阻R4用来给NPN型三极管Q1基极一个稳定的初始状态(开关电路处于断开状态NPN型三极管Q1基极的状态)，防止三极管Q1误动作，且电阻R4为电容C2提供一个放电电路，R4的阻值选择需要满足让E点，即电阻R4上的压降大于Q1导通所需的电压要求。

电容C2容值的大小可以控制开机速度，容值越大开机速度越慢，电容C2在触发按钮S1按下时开始被充电，直到电压足够后让三极管Q1导通。它作为储能电容，还能防止E点被干扰而造成误动作，对ESD有很大的作用，要求电容C2容值小于电容C1的容值。

电阻R8在触发按钮S1按下时作为电容C2的充电通路，帮助电容C2充电。在触发按钮S1断开后，为NPN型三极管Q3提供集电极电压，维持Q3的导通且隔离Q3对Q1基极(E点)的影响。

电阻R5为电容C4提供充电通道，一般电阻R5阻值与电容C4的容值取的稍大，以使充电时间较长，如果没有电容C4或者G点电位上升过快，则造成在E点电压未升到符合三极管Q1导通条件电压前，因为开关管Q4的导通，F点被开关管Q4接到地上，造成电容C2无法充电，三极管Q1无法导通，造成开机失败。

在开机完成后，输出电压经过电阻R5给电容C4充电，三极管Q3进入饱和导通状态，输入电压通过开关管Q4加载到输出端的负载，此时开关电路处于导通稳定状态，此时图4中各点的电压为：

A点：为电源电压5V。

B点：具体数值与电阻R3大小有关，例如，可以为0.8V左右。

C点：与B点电压一样。

D点：约为电源电压，受所选开关管Q4导通压降的影响。

E点：具体数值与电阻R3大小有关，例如，可以为0.8V左右。此时三极管组合Q1和Q2处于互锁饱和导通状态。

F点：小于0.1V，此时Q3处于饱和导通状态。

G点：可与电阻R5大小有关，例如，可以为0.6V。

关断操作模式

开关电路导通正常工作状态下，由于电阻R5和电容C4的存在，此时NPN型三极管Q3为饱和导通状态，当再次按下触发按钮S1时，即触发按钮S1受到触发时。

电容C 1的负极连接到NPN型三极管Q3的集电极(C)，由电容的特性可知，电容C1瞬间相当于短路，如5图中所示，电流通路1较电流通路2来说是低阻抗通道，B点的电流通过电流通路1流到地上，即流过半导体控制器件的电流被旁路，流过三极管组合Q1和Q2的电流减小，维持三极管组合Q1和Q2导通的电流消失，三极管组合Q1和Q2的互锁导通被打破，由可控硅关断条件可知，电流通路2消失。

电容C2开始通过电阻R8和R4放电，E点电压也将降到三极管Q1基极导通电压之下。如果触发按钮S1一直被按下，则B点一直为低电平，开关管Q4一直导通，输出端电源不断，三极管Q3继续导通。只有当触发按钮S1弹起后，电流通路1也消失，由于三极管组合Q1和Q2已经截止，则B点电压变为电源电压5V，开关管Q4的源极(S)和栅极(G)电压相等，开关管Q4截止，输入端与输出端被切断，从而完成关机操作。

由上所述，在导通和关断过程中，开关管Q4作为电流通路的开关，触发按钮S1用来触发开关管Q4的导通或关断。

电容C1在关机操作中至关重要，无电容C1的话会造成无法关机的状况，电容C1与NPN型三极管Q3一起创建在关机操作中的低阻抗电流通路1。

由于低阻抗电流通路1的出现，电流通路2的电流减小，不足以维持三极管组合Q1和Q2的导通，三极管Q1、Q2相继截止，Q1和Q2的截止使之前的维持导通状态消失，在触发按钮S1断开后，B点电位上升至电源电压，不再满足开关管的开启条件，开关电路从开启状态切换为断开状态。

电容C2的容值大小也会影响关机操作，由于流过电容C1的电流只在触发按钮S1闭合瞬间最大，此时电流通路2电流最小，然后电流通路1的电流逐渐减小，且B点电压逐渐升高。在这个阶段有一个时间段里，如果E点电位已经降低到三极管Q1导通条件电压以下，则Q1和Q2进入截止态。然而，如果所选取C2容值过大，则E点电位下降过慢，在B点电压升到一定值后E点电位还处于Q1导通条件电压之上，于是三极管组合Q1和Q2再次进入互相锁定导通状态，电路通路2仍存在，造成关机操作失败。

NPN型三极管Q3在关机操作中要与电容C1一起构造低阻抗的电流通路1，所以NPN型三极管Q3的状态也非常重要，要求三极管Q3的状态处于饱和导通状态，电阻R5的阻值、电容C4的容值、三极管Q3的基极饱和电流三者在数值选取上需要一个平衡，由于容值较大的电容在价格更贵，且体积大，可以选择基极饱和电流小的三极管以减少电容C4的容值。

本实施例中三极管Q3选取为NPN型三极管，开关管Q4选取为PMOS管或者PNP型三极管，可以理解，本领域技术人员在本发明的技术构思下可以选取其他类型的器件来实现三极管Q3和开关管Q4等，并适应性地修改相应电路结构，以达到相同的技术效果。

由上述可见，本发明上述实施例利用触发按钮搭配半导体控制器件以及开关管，提供了一种新型的开关电路，能够实现电源的可靠通断。

本技术方案采用触发按钮，从而相对机械限位开关具有较小的体积和灵活的外形，降低了产品对空间的要求，提高了产品设计的灵活性，操作更加简便省力，且避免了机械限位开关在连通和断开的瞬间所造成的EMI问题，提高了产品的使用寿命。

并且，本技术方案无需复杂的控制芯片或者MCU，避免了额外的代码编写的工作，所采用器件均为最普通常用的半导体器件，结构简单，显著降低了硬件成本和开发成本，具有较高的可行性；

进一步的，本技术方案提供的开关电路中各器件对静电不敏感，抗干扰性能相当高，性能可靠，在实践中，本方案能够得到理想的ESD测试结果，且在长按和快速按动触发按钮的情况下也能够实现无误操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电路，其特征在于，所述开关电路包括触发按钮、半导体控制器件和开关管，其中，所述开关管的输入端与直流电源相连接，所述开关管的控制端通过第一电阻(R1)与直流电源相连接，所述开关管的输出端与负载相连接，所述触发按钮、半导体控制器件分别连接在所述开关管的控制端；

在开关电路处于断开状态下，所述触发按钮受到触发时，所述开关管导通，所述开关电路从断开状态切换为开启状态，且所述半导体控制器件导通；

导通后的半导体控制器件保持开关电路的所述开启状态；

在开关电路处于开启状态下，所述触发按钮受到触发时，所述半导体控制器件关断，并在所述开关管断开时，所述开关电路从开启状态切换为断开状态。

2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述半导体控制器件为可控硅整流元件，或者，

所述半导体控制器件为两个三极管的组合，所述两个三极管的组合包括第一NPN型三极管(Q1)和第二PNP型三极管(Q2)。

3.根据权利要求2所述的开关电路，其特征在于，还包括第四电阻(R4)，在所述半导体控制器件为三极管组合时，所述第二PNP型三极管(Q2)的集电极和第一NPN型三极管(Q1)的基极连接后通过所述第四电阻(R4)接地。

4.根据权利要求2所述的开关电路，其特征在于，还包括第三电阻(R3)，在所述半导体控制器件为三极管组合时，所述第一NPN型三极管(Q1)的发射极通过所述第三电阻(R3)接地。

5.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，还包括第二电容(C2)，所述第二电容(C2)并联在所述第四电阻(R4)两端，且所述第二电容(C2)的正极与所述第一NPN型三极管(Q1)的基极相连，所述第二电容(C2)的负极接地。

6.根据权利要求5所述的开关电路，其特征在于，还包括第一电容(C1)和第七电阻(R7)，所述第一电容(C1)和第七电阻(R7)并联连接在所述触发按钮和所述开关管的控制端之间，其中，所述第一电容(C1)的正极与所述控制端相连，所述第一电容(C1)的负极与所述触发按钮相连。

7.根据权利要求6所述的开关电路，其特征在于，

所述第一电容(C1)的容值大于所述第二电容(C2)的容值。

8.根据权利要求2所述的开关电路，其特征在于，还包括第四电容(C4)和第五电阻(R5)，所述第五电阻(R5)的一端连接至所述开关管的输出端，所述第五电阻(R5)的另一端连接至所述第四电容(C4)的正极，所述第四电容(C4)的负极接地。

9.根据权利要求8所述的开关电路，其特征在于，还包括第三NPN型三极管(Q3)，所述第三NPN型三极管(Q3)的集电极与所述触发按钮相连接，所述第三NPN型三极管(Q3)的发射极接地，所述第三NPN型三极管(Q3)的基极通过所述第四电容(C4)接地。

10.根据权利要求2所述的开关电路，其特征在于，还包括第八电阻(R8)，在所述半导体控制器件为两个三极管的组合时，所述触发按钮通过所述第八电阻(R8)与所述第一NPN型三极管(Q1)的基极相连接。

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