CN102981425A

CN102981425A - 一种开关机电路

Info

Publication number: CN102981425A
Application number: CN2012104925591A
Authority: CN
Inventors: 康万龙
Original assignee: Vtron Technologies Ltd
Current assignee: Vtron Technologies Ltd
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: CN102981425B

Abstract

本发明涉及电子产品的开关技术，具体涉及一种开关机电路。其包括开关机按键、系统主控芯片和均由分立元件构成的硬开机电路、软关机电路、强制关机电路、系统电源，硬开机电路、软关机电路、强制关机电路的输入端均与开关机按键连接，硬开机电路的输出端与系统电源连接，软关机电路、强制关机电路的输出端通过硬开机电路与系统电源连接，软关机电路还与系统主控芯片连接。本发明全部用分立器件组成，电路简单，比起用ARM/MCU/SuperIO/EC/南桥芯片控制的开关机电路有更低的待机功耗、更低的成本，同时具有更高的电路可靠性，而且能够在非x86平台产品下实现与x86平台产品（PC、Notebook）相同的开关机控制方法，增加了新的用户体验效果。

Description

一种开关机电路

技术领域

本发明涉及电子产品的开关技术，具体涉及一种开关机电路。

背景技术

现在业界中不同电子产品的手动开关机电路一般有如下4种方式：

第一种是一般应用于x86平台（如PC机）的开关机电路：开关机过程用SuperIO/EC芯片和南桥芯片共同控制完成，开关机方式为，在关机状态（S5）下按一下开关机按键系统自动上电开机；在开机状态下，在Window开始菜单点关机控键，系统保存当前资料后自动掉电关机，即软关机；在开机状态下长按开关机按键4S可以强制系统掉电关机，主要针对系统死机状态下或需要快速关机的应用。这种开关机方式是目前最安全可靠，也是最人性化的。

第二种是一般应用于一些手持设备（如手机、GPS、MP4）的典型开关机过程：在关机状态下，长按开关机按键实现开机；在开机状态下，长按开关机按键实现软关机。开关机过程的控制需要主控芯片（ARM或MCU）参与，但在主控芯片死机状态下无法响应关机信号，只有拔掉电池/电源才能进行断电关机，非常不方便，而且在系统开机状态下插拔电池/电源很容易造成系统电源震荡而导致系统电路损坏。

第三种是一般应用于一些台式设备（如电视机、显示器）的开关机过程：在关机状态下，按一下开关机按键实现开机；在开机状态下，按一下开关机按键实现关机。开关机过程的控制需要主控芯片（ARM或MCU）参与，没有软关机过程，只是通过主控芯片响应开关机按键信号来控制开关管通断实现电源的开启和关闭。

第四种是应用于其它设备的开关机电路：通过机械开关直接实现电源的通断，没有软关机过程和主控芯片参与，而且上下电过程很容易使电源发生震荡，使设备在开关电源瞬间损坏。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种电路简单，安全可靠的开关机电路。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种开关机电路，包括均由分立元件构成的硬开机电路、软关机电路、强制关机电路、系统电源以及分别与硬开机电路、软关机电路、强制关机电路的输入端连接的开关机按键、与软关机电路连接的系统主控芯片，硬开机电路的输出端与系统电源连接，软关机电路、强制关机电路的输出端通过硬开机电路与系统电源连接。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

（1）本发明全部用分立器件组成，电路简单，比起用ARM/MCU/SuperIO/EC/南桥芯片控制的开关机电路有更低的待机功耗、更低的成本，同时具有更高的电路可靠性。

（2）本发明用纯硬件电路实现开关机电路、强制关机电路及配合系统主控芯片实现软关机电路，能够在非x86平台产品下实现与x86平台产品（PC、Notebook）相同的开关机控制方法，增加了新的用户体验效果。

附图说明

图1为本发明具体实施例的原理框图；

图2为本发明具体实施例的电路图；

图3为现有技术中常用的过压保护电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，为本发明具体实施例的原理框图。实施例的开关机电路包括硬开机电路、软关机电路、强制关机电路、系统电源以及分别与硬开机电路、软关机电路、强制关机电路的输入端连接的开关机按键、与软关机电路连接的系统主控芯片，其中硬开机电路、软关机电路、强制关机电路均由分立元件构成，硬开机电路的输出端与系统电源连接，软关机电路、强制关机电路的输出端通过硬开机电路与系统电源连接。在本实施例中，各个电路均采用分立元件构成，电路简单，成本低廉，待机功耗低，而且可靠性高，其用纯硬件电路实现了开关机电路、强制关机电路及配合主控芯片实现软关机电路，在非x86平台产品下实现与x86平台产品（PC、Notebook）相同的开关机控制方法，增加了新的用户体验效果。

如图2所示，在一种具体实施方式中，由分立元件构成的硬开机电路包括P沟道MOS管MOS5、施密特反向器U1、触发器U2、延迟电路、双二极管D2、N沟道MOS管MOS4和P沟道MOS管MOS2；

P沟道MOS管MOS5，其漏极与开关机按键连接，源极与施密特反向器U1的输入端连接，栅极与系统电源连接以及通过电阻R8接地；

施密特反向器U1，其输入端通过电阻R10与外部电源连接以及通过电阻R14接地，接地端接地，电源端接外部电源，输出端通过双二极管D2与触发器U2的CP管脚连接；

触发器U2，其输出端Q通过电阻R12连接至N沟道MOS管MOS4的栅极，复位输入端SD与外部电源连接，异步置位输入端RD与延迟电路连接；

N沟道MOS管MOS4的源极接地，其漏极通过电阻R5与P沟道MOS管MOS2的栅极连接以及通过电阻R3与外部电源连接；

P沟道MOS管MOS2的源极与外部电源连接，其漏极与系统电源连接以及分别通过电容C3和C4接地。

在一个最优选的实施例中，延迟电路包括电阻R7和电容C5，电阻R7一端与外部电源连接，另一端与电容C5一端连接，电容C5一端还与触发器U2的异步置位输入端RD连接，另一端接地。

触发器U2可以采用正边沿JK触发器或者D触发器实现。当其采用正边沿JK触发器实现时，可以将其J端接外部电源，K端接地，GND端接地，VCC端接外部电源以及通过电容C7接地，其真值表如下：

Figure 2012104925591100002DEST_PATH_IMAGE002

其电路工作原理为：

（1）预置电平：复位输入端SD#管脚接外部电源，异步置位输入端RD#管脚接RC延迟电路（R7和C5组成），这样上电瞬间SD#为高电平，RD#由于充电延迟为低电平（持续几十ms），按真值表Q管脚输出低电平，而Q＇管脚输出高电平；（2）触发工作模式：当RD#管脚充电至高电平后，正边沿JK触发器进入触发工作模式，这时只要在CP管脚输入一个正跳变沿，Q和Q＇管脚就会发生电平翻转，而在CP管脚没有正跳变沿时，Q和Q＇管脚保持当前状态。

在本具体实施方式中，硬开机电路无需系统主控芯片的控制即可实现开机功能，具体的硬开机过程如下：

1.关机状态下，当开关机按键未按下时，施密特反向器U1的输入端管脚为高电平，输出端管脚为低电平；正边沿JK触发器U2的CP管脚为低电平，因为有预置数第6管脚（即输出端Q）输出低电平，N沟道MOS管MOS4的栅极G为低电平，漏极D为高电平，P沟道MOS管MOS2的栅极G为高电平，所以P沟道MOS管MOS2截止，电源不能通过，系统电源VCC5V_SYS电压为0。

2.在关机状态下，当按一下开关机按键，产生一个低脉冲信号，因为P沟道MOS管MOS5的栅极G为低电平（没上电前系统电源VCC5V_SYS电压为0）源极S为高电平，所以P沟道MOS管MOS5导通，低脉冲信号可以通过P沟道MOS管MOS5传输至施密特反向器U1的输入端，施密特反向器U1的输出端（第4管脚）输出高脉冲信号，其中的正跳变沿通过双二极管D2传输至正边沿JK触发器U2的第4管脚（CP管脚），正边沿JK触发器U2的第6管脚（即输出端Q）状态翻转从低电平变为高电平，N沟道MOS管MOS4导通，其漏极D变为低电平，P沟道MOS管MOS2的栅极G变为低电平，所以P沟道MOS管MOS2导通，电源通过P沟道MOS管MOS2传输形成系统电源VCC5V_SYS，系统开始上电复位完成开机。

如图2所示，在一种具体实施方式中，软关机电路包括N沟道MOS管MOS6和二极管D3，其通过与系统主控芯片的中断管脚和GPIO配合实现软开机功能；具体地，

N沟道MOS管MOS6，其源极与开关机按键连接，栅极与系统电源连接，漏极与系统主控芯片的中断管脚连接，漏极还通过电阻R18接地以及通过电阻R17接外部电源；

二极管D3的阴极与系统主控芯片的GPIO连接，其阳极与施密特反向器U1的输入端连接，二极管D3的阴阳极还并联有电容C6。

软关机电路中的N沟道MOS管MOS6和二极管D3与硬开机电路中的施密特反向器U1、触发器U2、延迟电路、双二极管D2、N沟道MOS管MOS4和P沟道MOS管MOS2共同作用实现软关机功能。

工作时，在开机状态下，按一下开关机按键，形成一个低脉冲信号，这时P沟道MOS管MOS5的GS电压为正不导通，关机信号无法通过P沟道MOS管MOS5传输至施密特反向器U1的输入端（如果系统不需要软关机，可以将P沟道MOS管MOS5换为一电阻，即可以实现按一下开关机按键开机，再按一下开关机按键立即关机的操作）；这时，N沟道MOS管MOS6的GS电压为正导通，低脉冲可以通过N沟道MOS管MOS6传输至系统主控芯片（ARM）的中断管脚，系统主控芯片处理此关机中断信号，保存当前系统运行的资料信息，然后系统主控芯片把另一个GPIO（连接到二极管D3的负极）拉低（这里预留一个电容位置来替代二级管，防止部分系统主控芯片上电后默认为低电平将关机信号拉死无法开机），低电平信号通过二极管D3传输至施密特反向器U1的输入端，施密特反向器U1的输出端管脚从低电平变为高电平形成正跳变沿，正跳变沿通过双二极管D2传输至正边沿JK触发器U2的4管脚（CP管脚），正边沿JK触发器U2的6管脚（输出端Q）状态翻转从高电平变为低电平，N沟道MOS管MOS4截止漏极D从低电平变为高电平，P沟道MOS管MOS2的栅极G从低电平变为高电平，所以P沟道MOS管MOS2从导通变为截止状态，电源无法通过P沟道MOS管MOS2传输，系统电源VCC5V_SYS电源电压降为0，系统完成软关机过程。

如图2所示，在一个具体实施方式中，由分立元件构成的强制关机电路包括N沟道MOS管MOS8、施密特反向器U3、施密特反向器U4和充电电路；

N沟道MOS管MOS8的栅极与开关机按键连接，其源极接地，其漏极通过电阻R20与施密特反向器U3的输入端连接；

施密特反向器U3的输入端还与充电电路连接，其接地端接地，电源端与外部电源连接，其输出端与施密特反向器U4的输入端连接；

施密特反向器U4的接地端接地，电源端与外部电源连接，输出端通过双二极管D2与触发器U2的CP管脚连接。

在一个最优选实施例中，充电电路包括电阻R19和电容C8，电阻R19一端与外部电源连接，电阻R19另一端与电容C8一端连接，电容C8一端还与施密特反向器U3的输入端，电容C8另一端接地。

强制关机电路的N沟道MOS管MOS8、施密特反向器U3、施密特反向器U4和充电电路与硬开机电路的触发器U2、延迟电路、双二极管D2、N沟道MOS管MOS4和P沟道MOS管MOS2共同作用实现强制关机功能。

其工作原理为：当未按下开关机按键，N沟道MOS管MOS8的栅极G为高电平，漏极D为低电平，施密特反向器U3输入端为低电平，输出端为高电平，施密特反向器U4的输入端为高电平，输出端为低电平，此低电平信号无法通过双二极管D2传输。

当系统死机时，系统主控芯片无法响应关机中断信号，这时长按住开关机按键，这时N沟道MOS管MOS8的栅极G为低电平，使N沟道MOS管MOS8截止呈高阻抗，R19和C8组成的充电电路开始对施密特反向器U3的输入端管脚充电，大约经过4S从低电平充电到施密特反向器U3可识别的高电平，施密特反向器U3的输出端从高电平变为低电平，施密特反向器U4的输出端从低电平变为高电平，正跳变沿通过双二极管D2传输至正边沿JK触发器U2的4管脚（CP管脚），正边沿JK触发器U2的6管脚（输出端Q）状态翻转从高电平变为低电平，N沟道MOS管MOS4截止漏极D从低电平变为高电平，P沟道MOS管MOS2的栅极G从低电平变为高电平，P沟道MOS管MOS2从导通变为截止状态，电源无法通过MOS2传输，系统电源VCC5V_SYS电源电压降为0，系统完成强制关机过程。

松开长按的开关机按键，N沟道MOS管MOS8的栅极G变为高电平使N沟道MOS管MOS8导通形成低阻抗，施密特反向器U3的输入端电位开始通过电阻R20和N沟道MOS管MOS8的DS极间导通阻抗对地放电，因为放电时间常数很小，所以充电电荷迅速释放掉使施密特反向器U3输入端快速变为低电平，施密特反向器U3输出端变为高电平，施密特反向器U4输出端变为低电平，使4S强制关机电路恢复到初始状态。

如图2所示，在一个具体实施方式中，为了防止整个开关电路过流或者过压导致电路故障，本具体实施例的开关机电路还可以设置过流保护电路和过压保护电路对整个电路实施保护。在本实施方式中，过流保护电路和过压保护电路同样采用分立元件构成，采用纯硬件实现，电路简单，成本低廉，可靠性高。具体地，过流保护电路一端与外部电源连接，过流保护电路另一端通过压保护电路与P沟道MOS管MOS2的源极。

在一个最优选的实施例中，过流保护电路包括自恢复保险丝F1，过压保护电路包括齐纳二极管D1、三极管Q1、N沟道MOS管MOS3、P沟道MOS管MOS1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R6；自恢复保险丝F1一端与外部电源连接，其另一端与P沟道MOS管MOS1的源极连接以及与齐纳二极管D1的阴极连接；

齐纳二极管D1的阳极通过电阻R4与三极管Q1的基极连接以及通过电阻R6接地；

三极管Q1的集电极与N沟道MOS管MOS3的栅极连接以及通过电阻R2与P沟道MOS管MOS1的源极连接，其发射极接地；

N沟道MOS管MOS3的源极接地，其漏极与P沟道MOS管MOS1的栅极连接以及通过电阻R1与P沟道MOS管MOS1的源极连接；

P沟道MOS管MOS1的漏极与P沟道MOS管MOS2的源极连接。

过流保护电路使用一个简单的自恢复保险丝F1实现，主要防止后级电路短路。以5V电源输入为例，设置过压保护点为5.6V，过压保护电路由齐纳二极管D1、NPN型三极管Q1、N沟道MOS管MOS3、P沟道MOS管MOS1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R6组成，纳二极管D1反向击穿电压为5.6V。当输入电压高于5.6V时，齐纳二极管D1被击穿，NPN型三极管Q1因基极b电位升高导通，NPN型三极管Q1的集电极c为低电平, N沟道MOS管MOS3的GS极间电压为低，N沟道MOS管MOS3的漏极D电压为高，P沟道MOS管MOS1因栅极G电位为高呈截止状态，电源无法通过P沟道MOS管MOS1,所以可以保护后级电路；当输入电压低于5.6V时，齐纳二极管D1截止，NPN型三极管Q1的基极b为低电平，集电极c为高电平, N沟道MOS管MO3的栅极G为高电平，漏极D为低电平，P沟道MOS管MOS1的栅极G为低电平，P沟道MOS管MOS1导通，电源可通过P沟道MOS管MOS1传输至后级电路。

业界中，常用的过压保护电路大多用专业芯片实现，成本高，其电路如图3所示，而本发明具体实施例的过压保护电路完全用简单的分立元件实现，大大降低成本。

如图2所示，在一个具体实施方式中，为了防止电路关机后立即开机时由于电荷未释放完全造成再次开机异常的情况出现，本发明的具体实施例还设置了电荷释放电路。具体地，电荷释放电路与触发器U2的输出端Q连接。

在一个最优选的实施例中，电荷释放电路采用分立元件构成，具体采用N沟道MOS管MOS7实现，N沟道MOS管MOS7的栅极与触发器U2的输出端Q＇连接，其栅极接地，其漏极通过电阻R9与外部电源连接。

电荷释放电路的工作原理为：

上电开机后，正边沿JK触发器U2的7管脚（Q＇端）从高电平变为低电平，N沟道MOS管MOS7的栅极G为低电平，所以N沟道MOS管MOS7截止呈高阻态；当关机掉电后，正边沿JK触发器U2的7管脚（Q＇端）从低电平变为高电平，N沟道MOS管MOS7的栅极G为高电平，所以N沟道MOS管MOS7导通呈低阻态，系统电源VCC5V_SYS在负载积累的电荷迅速通过电阻R9和N沟道MOS管MOS7的DS极间导通阻抗释放到地。

Claims

1.一种开关机电路，其特征在于，包括均由分立元件构成的硬开机电路、软关机电路、强制关机电路、系统电源以及分别与硬开机电路、软关机电路、强制关机电路的输入端连接的开关机按键、与软关机电路连接的系统主控芯片，硬开机电路的输出端与系统电源连接，软关机电路、强制关机电路的输出端通过硬开机电路与系统电源连接。

2.根据权利要求1所述的开关机电路，其特征在于，所述硬开机电路包括P沟道MOS管MOS5、施密特反向器U1、触发器U2、延迟电路、双二极管D2、N沟道MOS管MOS4和P沟道MOS管MOS2；

施密特反向器U1，其输入端通过电阻R10与外部电源连接以及通过电阻R14接地，输出端通过双二极管D2与触发器U2的CP管脚连接；

3.根据权利要求2所述的开关机电路，其特征在于，所述延迟电路包括电阻R7和电容C5，电阻R7一端与外部电源连接，另一端与电容C5一端连接，电容C5一端还与触发器U2的异步置位输入端RD连接，另一端接地。

4.根据权利要求2所述的开关机电路，其特征在于，所述软关机电路包括

N沟道MOS管MOS6和二极管D3；

5.根据权利要求4所述的开关机电路，其特征在于，所述强制关机电路包括N沟道MOS管MOS8、施密特反向器U3、施密特反向器U4和充电电路；

施密特反向器U3的输入端还与充电电路连接，输出端与施密特反向器U4的输入端连接；

施密特反向器U4的输出端通过双二极管D2与触发器U2的CP管脚连接。

6.根据权利要求5所述的开关机电路，其特征在于，所述充电电路包括电阻R19和电容C8，电阻R19一端与外部电源连接，电阻R19另一端与电容C8一端连接，电容C8一端还与施密特反向器U3的输入端，电容C8另一端接地。

7.根据权利要求5所述的开关机电路，其特征在于，还包括过流保护电路和过压保护电路，过流保护电路一端与外部电源连接，过流保护电路另一端通过压保护电路与P沟道MOS管MOS2的源极。

8.根据权利要求7所述的开关机电路，其特征在于，所述过流保护电路包括自恢复保险丝F1，所述过压保护电路包括齐纳二极管D1、三极管Q1、N沟道MOS管MOS3、P沟道MOS管MOS1、电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R6；自恢复保险丝F1一端与外部电源连接，其另一端与P沟道MOS管MOS1的源极连接以及与齐纳二极管D1的阴极连接；

P沟道MOS管MOS1的漏极与P沟道MOS管MOS2的源极连接。

9.根据权利要求2-8任一项所述的开关机电路，其特征在于，还包括与触发器U2的输出端Q＇连接的电荷释放电路。

10.根据权利要求9所述的开关机电路，其特征在于，所述电荷释放电路包括N沟道MOS管MOS7，N沟道MOS管MOS7的栅极与触发器U2的输出端Q＇连接，其栅极接地，其漏极通过电阻R9与外部电源连接。