CN113904534A - 超低待机功耗的电源启停电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低待机功耗的电源启停电路及方法，本电路包括功率电路，电源输入端V0，辅助电源V1，电压转换模块，启停电路和检测控制模块；电源输入端V0连接功率电路，并经启停电路连接辅助电源V1的输入端，用于为整体电路供电；辅助电源V1的输出端经电压转换模块转换出芯片供电端V3，用于为检测控制模块供电；检测控制模块的GPIO1、2引脚分别连接启停电路，根据检测控制GPIO1、2引脚输出电平的高低，通过启停电路对辅助电源V1和功率电路进行控制。本方法大大的减少了待机的能量损耗。

Description

超低待机功耗的电源启停电路及方法

技术领域

本发明涉及一种电源启停电路，尤其涉及一种超低待机功耗的电源启停电路及方法。

背景技术

目前，如果需要人为的控制电源相关产品的启停机，一般会设置启停按键，进而对电源产品的相关动作进行控制。电源的架构大致分为：1、功率部分，属于高电压和大电流的电路部分，主要是接收外部能量并转换成电源输出端负载能使用电能。一般常见的拓扑有Buck、Boost、LLC、推挽等。2、辅助电源主要是为电源产品内部的芯片提供能量，包含场效应晶体管的驱动芯片、主控MCU芯片、通讯芯片等。辅助电源一般电压等级低，电流小，主要供电源内部使用。3、控制部分负责电源整体的逻辑控制和算法控制，主要由MCU芯片和其他芯片组成。4、其他部分包括显示，通讯等，通常需要依靠按键去启动电源和关闭电源。

现有控制电源启停的方法有如下几种：

A、在电源产品的功率回路中安装按钮开关，按下按钮开关后，电源产品工作，按钮开关弹起后，电源产品停止工作。如图1所示，S1为按钮开关，具有锁死功能，按一下就导通，再按一下就断开。首先，由于按钮S1接在功率回路中，对开关电压应力和电流应力的能力有一定的要求。而且S1的体积可能会比较大，成本也相对高，也存在一定安全隐患(拉弧，打火)。再者，普通的按钮开关按下去瞬间可能存在电压抖动的情况，进而可能造成电源损坏。

B、在电源产品的辅助电路中安装按钮开关，按下按钮开关后，电源产品工作，按钮开关弹起后，电源产品停止工作。如图2所示，S2为按钮开关，具有锁死功能，按一下就导通，再按一下就断开。虽然辅助电源电压应力和电流应力较小，但是在大功率电源产品中辅助电源功率也不低，也存在一定安全隐患。普通的按钮开关按下去瞬间可能存在电压抖动的情况，进而可能造成电源损坏。

C、利用MCU检测轻触开关状态，控制电源产品的状态。如图3所示，轻触开关S3为一种常开开关，正常情况处于断开状态，人为按一下便会导通，手一松便断开。将S3与MCU引脚相连接，按一次S3，MCU就会响应一次。没有按下S3时，电压检测为高电平，按下S3后，电压检测为低电平。由于MCU一直处于工作状态，辅助电源一直处于工作状态，尽管MCU可以工作在低功耗模式，但还是会有额外的损耗，辅助电源也有额外的能量消耗。

因此，亟待设计一种新的电源产品用启停电路，以克服现有技术的缺点，减少能量的损耗。

发明内容

针对上述现存的技术问题，本发明提供一种超低待机功耗的电源启停电路及方法，以实现将待机损耗降低得很小，也不会因按键行为对人产生安全隐患的目的。

为实现上述目的，本发明提供一种超低待机功耗的电源启停电路，包括功率电路，电源输入端V0，辅助电源V1，电压转换模块，启停电路和检测控制模块；

所述的电源输入端V0连接功率电路，并经启停电路连接辅助电源V1的输入端，用于为整体电路供电；

所述的辅助电源V1的输出端经电压转换模块转换出芯片供电端V3，用于为检测控制模块供电；

所述的检测控制模块的GPIO1、2引脚分别连接启停电路，根据检测控制GPIO1、2引脚输出电平的高低，通过启停电路对辅助电源V1和功率电路进行控制。

进一步，所述的启停电路包括MOS管Q1，MOS管Q2，二极管D2，二极管D3，以及按钮S1；

电源输入端V0经电阻R1、R2连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极经按钮S1接地；

电源输入端V0连接MOS管Q2的漏极和衬底，MOS管Q2的源极连接辅助电源V1的输入端，其栅极连接电阻R1、R2的公共端；辅助电源V1的输入端经电容C1接地；

检测控制模块的GPIO1引脚经电阻R3连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的栅极经电阻R4接地，其漏极连接电阻R2和二极管D2的公共端；

芯片供电端V3经电阻R5连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接二极管D2的阴极，且电阻R5与二极管D3的公共端连接检测控制模块的GPIO2引脚。

更进一步，所述的MOS管Q1为N沟道场效应晶体管。

更进一步，所述的MOS管Q2为P沟道场效应晶体管。

进一步，所述的检测控制模块为具有GPIO功能的MCU模块。

进一步，所述的检测控制模块为采用与非门搭建的下降沿触发的T触发器。

进一步，所述的检测控制模块为采用JK触发器搭建的T触发器。

本发明还一种利用所述电路的超低待机功耗的电源启停方法，包括如下具体步骤：

A、在电源产品关机状态下开机：

A1、开机前，辅助电源V1，芯片供电端V3、检测控制模块和功率电路均断电；

A2、按下按钮S1，MOS管Q2导通，辅助电源V1接通电源输入端V0，芯片供电端V3得电，检测控制模块开始工作，其GPIO1引脚输出高电平，MOS管Q1导通；

A3、松开按钮S1，电源产品完成启动；

B、在电源产品开机状态下关机：

B1、按下按钮S1，检测控制模块的GPIO2引脚输出低电平；

B2、检测控制模块控制GPIO1引脚输出低电平，MOS管Q1截止；

B3、检测控制模块控制功率电路关闭；

B4、松开按钮S1，MOS管Q2截止，辅助电源V1与电源输入端V0断开，芯片供电端V3失电，检测控制模块停止工作，电源产品完成关闭。

进一步，所述的MCU模块包括如下工作流程：

S1、设置电源产品初始化的开机状态为0；

S2、MCU模块判断开机状态是否为0；

S3、若是，则MCU模块设置开机状态为1，并设置GPIO1引脚输出为高电平，接着进入S4；若否，则直接进入S4；

S4、MCU模块判断GPIO2引脚输出是否为低电平；

S5、若是，则MCU模块设置GPIO1引脚输出为低电平，接着进入S6；若否，则返回S4；

S6、MCU模块控制功率电路关闭，辅助电源V1失电，MCU模块失电，电源产品完成关机。

本发明通过检测控制模块检测按钮状态，并对辅助电源和功率电路进行控制，相比现有技术，具有如下技术优势：

1、本发明能够使电源产品在关机状态下完全切断电源输入端，辅助电源，芯片电源端以及检测控制模块的供电，实现了电源产品的彻底关机。由于在电源产品开机前，所有电路均没有工作，因此不存在损耗。

2、本发明能够直接将检测控制模块的供电切掉，不存在检测控制模块待机消耗的情况。

3、本发明提供多种检测控制模块，实现对GPIO1、2引脚输出电平高低的检测控制。

4、本发明可以将功率的损耗降到很低，大大的减少了能量的损耗，从而节约了能源，降低了使用成本。

5、本发明采用按钮开关机的同时，不会因按键行为对人产生安全隐患。

附图说明

图1为现有技术中在电源产品的功率回路中安装按钮开关的电原理框图；

图2为现有技术中在电源产品的辅助电路中安装按钮开关的电原理框图；

图3为现有技术中利用MCU检测轻触开关状态控制电源产品的电原理框图；

图4为本发明一个实施例的电原理框图；

图5a本发明一个实施例中启动电路的电路图；

图5b为本发明一个实施例中MCU模块的原理框图；

图6为本发明一个实施例中MCU模块开关机的工作流程图；

图7为本发明又一个实施例中采用JK触发器搭建的T触发器的结构示意图；

图8为本发明另一个实施例中与非门搭建的下降沿触发的T触发器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

首先，如图4所示，本发明包括功率电路，电源输入端V0，辅助电源V1，电压转换模块，启停电路和检测控制模块，其中：

所述的功率电路为电源产品的主电路。

所述的电源输入端V0可以是外接电压，也可以是产品内部的储能电压。

所述的辅助电源V1是从开关电源母线中取电为各个子模块供电的电源，其后级连接DC/DC模块来，并给各个芯片供电。例如，辅助电源V1从母线取电24V，用于给开关电源的所有芯片(包括驱动、显示、MCU芯片等)供电，但是每个芯片所需的电压不一定相同，辅助电源V1会根据需要将24V分成12V、9V、3.3V等。

所述的芯片供电端V3就是辅助电源V1通过电压转换模块转换出来的供电端，用于为MCU模块供电，一般为3.3V或者5V。常见的电压转换芯片有7805、AMS1117-3.3V等。

其次，如图5a所示，本发明一个实施例中，所述的启停电路的具体连接关系如下：

电源输入端V0经电阻R1、R2连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极经按钮S1接地；

电源输入端V0连接MOS管Q2的漏极和衬底，MOS管Q2的源极连接辅助电源V1的输入端，其栅极连接电阻R1、R2的公共端；辅助电源V1的输入端经电容C1接地；

检测控制模块的GPIO1引脚经电阻R3连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的栅极经电阻R4接地，其漏极连接电阻R2和二极管D2的公共端；

芯片供电端V3经电阻R5连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接二极管D2的阴极，且电阻R5与二极管D3的公共端连接检测控制模块的GPIO2引脚。

上述电路中各元件的作用原理如下：

MOS管Q2接在辅助电源V1的输入端之前，用于控制辅助电源V1的启停。当电阻R1两端存在压差，即电阻R1与电源输入端V0相连的一端比另一端电压高时，MOS管Q2就会变成导通状态，辅助电源V1可自电源输入端V0得电；否则，MOS管Q2为截止状态，辅助电源V1无法接通电源输入端V0得电。

MOS管Q1的导通、截止状态由检测控制模块通过其GPIO1引脚电平的高低来控制，且在电阻R4为高电平时，MOS管Q1为导通状态。

二极管D2的作用是防止芯片供电端V3的电流流过MOS管Q1。

二极管D3的作用是防止电源输入端V0的电流流入芯片供电端V3。

如图5b所示，本发明一个实施例中，所述的检测控制模块采用MCU模块。MCU模块的作用是通过检测其GPIO1、GPIO2引脚的电平，能够控制整个辅助电源V1的工作状态。实施时，MCU模块采用具有GPIO功能的芯片，如STM32F103、STM8S、TMS320F28335、TMS320F28035、ST89C52、ST89C51等。

再者，本发明一个实施例的使用过程及其运行原理如下：

A、电源产品从关机到开机的过程中：

A1、在电源产品开机前，所有电路均没有工作。由于二极管D3处于截止状态，电阻R1、电阻R2、二极管D2均没有电流通过，电阻R1两端没有电压差产生，因此MOS管Q2处于截止状态，辅助电源V1无法连通电源输入端V0得电，芯片供电端V3也无法为MCU模块供电。由于MCU模块没有启动，其GPIO1引脚不会有电，因此MOS管Q1也不会导通。

A2、按下按钮S1后，电源输入端V0、电阻R1、电阻R2、二极管D2、按钮S1、接地端GND形成回路，但由于电阻R1、R2的阻值较大，因此回路上的电流很小，此时电路很安全，按钮操作不会给使用者带来安全隐患。并且，由于电阻R1两端形成电压差，则MOS管Q2处于导通状态，辅助电源V1得电，接着辅助电源V1经电源转换模块转换出芯片供电端V3，为MCU模块供电，使得MCU模块开始工作。

B、电源产品从开机到关机的过程中，如图6所示，MCU模块的工作流程如下：

S1、设置电源产品初始化的开机状态为0。

S2、MCU模块判断电源产品的开机状态是否为0。

S3、若是，则MCU模块设置电源产品的开机状态为1，并设置GPIO1引脚输出为高电平，接着进入S4；若否，则直接进入S4。

当MCU模块通过软件将GPIO1引脚设置为高电平后，电阻R4两端形成电压差，促使MOS管Q1导通，此时电源输入端V0、电阻R1、电阻R2、MOS管Q1、接地端GND形成回路。并且，松开按钮S1后，MOS管Q2依然导通，电源产品即可完成启动。

S4、MCU模块判断GPIO2引脚输出是否为低电平。

因为电源产品正常工作时，芯片供电端V3有电，所以MCU模块的GPIO2引脚为高电平。当按下按钮S1关机后，芯片供电端V3、电阻R5、二极管D3、按钮S1、接地端GND形成回路，此时MCU模块的GPIO2引脚的电平会被拉低，所以MCU模块通过判断GPIO2引脚输出电平的高低，可以得知按钮S1是否被按下。

S5、若是，则MCU模块设置GPIO1引脚输出为低电平，并进入S6；若否，则返回S4。

当MCU模块检测到GPIO2引脚输出电平被拉低后，即得知按钮S1被按下，则会将GPIO1引脚输出电平也拉低，使电阻R4两端的电压差消失，MOS管Q1处于截止状态。

S6、MCU模块控制功率电路关闭，辅助电源V1失电，MCU模块失电，电源产品关机。

松开按钮S1后，电源输入端V0、电阻R1、电阻R2、二极管D2、按钮S1、接地端GND形成的回路断开，MOS管Q2处于截止状态，则辅助电源V1与电源输入端V0断开，芯片供电端V3失电，不能再为MCU模块供电，MCU模块停止工作，电源产品的电源彻底关闭。

由上可知，本发明通过MCU检测按键对辅助电源和功率电路进行控制，可以将功率的损耗降到很低。并且，电路能够直接将MCU模块的供电切掉，不存在MCU模块的待机消耗。

另外，本发明除了采用MCU模块来控制检测GPIO1、2引脚，还可以采用模拟电路或者数字电路搭建控制检测电路。

如图7所示，在没有MCU情况下，还将JK触发器的J、K引脚连在一起转换成T触发器来代替MCU模块。该T触发器的CLK引脚为检测控制模块的GPIO2引脚，经电阻R5连接芯片供电端V3；该T触发器的输出端Q为检测控制模块的GPIO1引脚，经电阻R3连接MOS管Q1的栅极。实施时，JK触发器可以用74LS109，74HC109，MC14027等型号。

并且，该T触发器的真值表如表1所示，其功能如下：每当按下按钮S1，该T触发器的CLK引脚(GPIO2引脚)就会接收一个下降沿，当芯片供电端V3为高电平时，T触发器的输出端Q(GPIO1引脚)翻转一次状态，输出端Q’总是与输出端Q(GPIO1引脚)的状态相反；当芯片供电端V3为低电平时，每当按下按钮S1，T触发器的输出状态不发生改变。

表1：T触发器的真值表

GPIO2	芯片供电端V3	Q	Q’
				↓	低	Q	Q’
↓	高	Q’	Q

本发明这一实施例的使用过程及其运行原理如下：

A、电源产品在关机状态下开机：

一开始，由于电源产品关机，所以辅助电源V1没有得电，芯片供电端V3也没有得电。

当按下按钮S1开机后，辅助电源V1得电，芯片供电端V3也得电，并为T触发器供电；接着，T触发器开始工作，其输出端Q(GPIO1引脚)的输出为高电平，使得MOS管Q1导通。此时，松开按钮S1，电源产品完成启动。

B、电源产品在开机状态下关机：

一开始，由于电源产品开机，所以辅助电源V1有电，芯片供电端V3有电。

当按下按钮S1关机后，T触发器的CLK引脚(GPIO2引脚)的电平被拉低，使得T触发器的输出端Q(GPIO1引脚)变成低电平，使得MOS管Q1截止。

此时，松开按钮S1，辅助电源V1失电，T触发器的CLK引脚(GPIO2引脚)的供电被切断，电源产品彻底关机成功。

如图8所示，在没有MCU情况下，可以用与非门搭建的一个下降沿触发的T触发器来代替MCU模块，同样能实现本发明的功能。该T触发器的输入端为检测控制模块的GPIO2引脚，经电阻R5连接芯片供电端V3；该T触发器的输出端Q为检测控制模块的GPIO1引脚，经电阻R3连接MOS管Q1的栅极。实施时，与非门可以用74LS20，74HC00，74HC02等型号。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上该实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超低待机功耗的电源启停电路，其特征在于，包括功率电路，电源输入端V0，辅助电源V1，电压转换模块，启停电路和检测控制模块；

所述的电源输入端V0连接功率电路，并经启停电路连接辅助电源V1的输入端，用于为整体电路供电；

所述的辅助电源V1的输出端经电压转换模块转换出芯片供电端V3，用于为检测控制模块供电；

所述的检测控制模块的GPIO1、2引脚分别连接启停电路，根据检测控制GPIO1、2引脚输出电平的高低，通过启停电路对辅助电源V1和功率电路进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种超低待机功耗的电源启停电路，其特征在于，所述的启停电路包括MOS管Q1，MOS管Q2，二极管D2，二极管D3，以及按钮S1；

电源输入端V0经电阻R1、R2连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极经按钮S1接地；

电源输入端V0连接MOS管Q2的漏极和衬底，MOS管Q2的源极连接辅助电源V1的输入端，其栅极连接电阻R1、R2的公共端；辅助电源V1的输入端经电容C1接地；

检测控制模块的GPIO1引脚经电阻R3连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的栅极经电阻R4接地，其漏极连接电阻R2和二极管D2的公共端；

芯片供电端V3经电阻R5连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接二极管D2的阴极，且电阻R5与二极管D3的公共端连接检测控制模块的GPIO2引脚。

3.根据权利要求2所述的一种超低待机功耗的电源启停电路，其特征在于，所述的MOS管Q1为N沟道场效应晶体管。

4.根据权利要求2所述的一种超低待机功耗的电源启停电路，其特征在于，所述的MOS管Q2为P沟道场效应晶体管。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种超低待机功耗的电源启停电路，其特征在于，所述的检测控制模块为具有GPIO功能的MCU模块。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种超低待机功耗的电源启停电路，其特征在于，所述的检测控制模块为采用与非门搭建的下降沿触发的T触发器。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种超低待机功耗的电源启停电路，其特征在于，所述的检测控制模块为采用JK触发器搭建的T触发器。

8.一种利用权利要求2-7任一项所述电路的超低待机功耗的电源启停方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

A、在电源产品关机状态下开机：

A1、开机前，辅助电源V1，芯片供电端V3、检测控制模块和功率电路均断电；

A2、按下按钮S1，MOS管Q2导通，辅助电源V1接通电源输入端V0，芯片供电端V3得电，检测控制模块开始工作，其GPIO1引脚输出高电平，MOS管Q1导通；

A3、松开按钮S1，电源产品完成启动；

B、在电源产品开机状态下关机：

B1、按下按钮S1，检测控制模块的GPIO2引脚输出低电平；

B2、检测控制模块控制GPIO1引脚输出低电平，MOS管Q1截止；

B3、检测控制模块控制功率电路关闭；

B4、松开按钮S1，MOS管Q2截止，辅助电源V1与电源输入端V0断开，芯片供电端V3失电，检测控制模块停止工作，电源产品完成关闭。

9.根据权利要求8所述的一种超低待机功耗的电源启停方法，其特征在于，所述的MCU模块包括如下工作流程：

S1、设置电源产品初始化的开机状态为0；

S2、MCU模块判断开机状态是否为0；

S3、若是，则MCU模块设置开机状态为1，并设置GPIO1引脚输出为高电平，接着进入S4；若否，则直接进入S4；

S4、MCU模块判断GPIO2引脚输出是否为低电平；

S5、若是，则MCU模块设置GPIO1引脚输出为低电平，接着进入S6；若否，则返回S4；

S6、MCU模块控制功率电路关闭，电源产品完成关机。

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