自動開/關機電路設計方案

摘要：本文介紹了一種結構簡單、使用方便可靠的開/關機電路。電路使用一個D觸發器，配合軟件上的處理實現單鍵開/關機、關機前重要數據自動保存及自動關機功能。
關鍵詞： 自動關機電路；微處理器；CD4013
引言 節電是各種電池供電設備所需考慮的首要因素。為防止用戶忘記關機，一些設備采用了自動關機電路。此外，許多設備中使用一個開/關按鍵控制開啟或關斷電源，即使微處理器(MPU)正在處理關鍵程序，按鍵按下時，系統也會關斷，造成重要數據的丟失。本文僅使用一個D觸發器設計了一種結構簡單，使用方便可靠的開/關機電路。
電路設計
　　實際設計的自動開/關機電路如圖1所示。其中U1A為雙D觸發器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反向驅動后，與開關電源芯片的開關引腳相連。以MAX1626為例，當SHDN為高時關閉電源，SHDN為低時打開系統電源。
　　復位式按鍵S1為系統電源開/關鍵。C1和R2組成RC網絡，使得在S1按下后，保證R有12×104×10-3=120ms的延遲時間處于高電平。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壓管，穩壓管的輸出與MPU的I/O口相連。

圖1 自動開/關機電路原理圖

設計原理
　　開/關機電路的核心器件是一個D型觸發器，型號為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，S為0時，輸出Q為0；R為0時，輸出Q為1；而當R、S均為1時，輸出Q為1；當R和S均為0時，只要CLK不產生上升沿脈沖，輸出Q會保持前一輸出狀態。本電路正是利用R、S均為零時的狀態保持特性來實現開/關機功能的。
　　由于本電路處于開/關電源前端，在電池接入狀態下，無論系統電源是否打開，都處于工作狀態。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穩定工作。
系統開機原理
　　當按下開機按鈕S1時，S與高電平接通，S=1。查閱真值表可得，當R=1，S=1時，輸出Q應穩定輸出1，經過三極管反向后，電源控制引腳SHDN為低電平，打開系統電源。通常MPU進行初始化時會將I/O引腳置為高電平，由于RC網絡的延遲作用，S1按下后可以保證S端約有120ms處于高電平(保證開機穩定條件：RC網絡的延遲時間＞系統上電復位并將POWER_CTL狀態穩定為1的時間)。經過三極管Q3反向，此時S=1，R=0，Q端輸出1，系統電源處于打開狀態。
　　MPU延遲后讀取STATE引腳的狀態。如果此時STATE為低電平，則確認Q1導通，S1曾按下，確認用戶開機程序正常運行。如果此時STATE為高電平，則表明Q1截止，開機信號為誤動作，程序執行關機程序。
　　當RC網絡的延遲時間過后，S端由1轉為0，此時S=0，R=0，查閱真值表得出此時輸出Q應該維持前一輸出狀態，即保持系統開通電源狀態。
系統關機原理
　　作為節電產品，如果在規定時間內系統沒有工作，系統會自動轉入關機程序，在保存重要數據后，自動關閉系統。
　　當用戶手動關機，按下S1時，Q1打開，STATE的狀態由高電平轉變為低電平，MPU檢測到STATE的狀態變化后，經過延時再次檢測STATE狀態，如仍為低電平，則確認為關機指令，程序將保存重要數據，關閉所有中斷，然后將I/O引腳POWER_CTL置為低電平，程序進入循環等待關機狀態。此時，I/O口狀態經過Q3反相后使觸發器R=1，S=0，查閱真值表可得Q端應該穩定輸出0，經過三極管Q2反向驅動后，電源控制引腳SHDN為高電平，關閉系統電源。
　　電源芯片關閉后，隨著電容放電，MPU的供電電壓不斷下降，引腳POWER_CTL變為不定狀態，但查閱真值表，無論此時R端電位高或低，輸出Q都為低電平，穩定的使系統處于關機狀態。
　　隨著電容繼續放電，I/O引腳POWER_CTL穩定為低電平，此時觸發器引腳R=1，S=0，穩定維持輸出Q為低電平，保證系統電源的穩定關斷。
設計的改進
　　實際使用中發現，當更換供電電源時，觸發器初始上電，D、CLK和R端下拉至地，保持穩定狀態為0。而由于電容C1的充電作用，有可能使S=1，查閱真值表，當S=1，R=1時，輸出Q為高電平，致使Q2導通，SHDN為高電平，打開系統。
　　為了解決更換電源時系統有可能自動開機問題，在系統上電程序開始執行并延遲500ms后重新讀取STATE狀態。初始階段，Q1導通，STATE狀態為低電平。而隨著RC網絡的延遲時間過后，S端電位由高電平變為低電平，Q1由導通變為截止，STATE狀態由低電平重新轉換為高電平。MPU延時后讀取的STATE如果為高電平，則認為是誤開機，程序執行關機程序，重新關閉系統電源。如果STATE仍為低電平，則確認是開機指令，程序正常執行。因此要求用戶在開機時，按下S1并保持500ms以上。
　　MPU開機初始化程序流程如圖2所示。

圖2 MPU開機初始化程序流程圖

結語
本電路相對其它電路結構簡單，使用器件較少。配合軟件處理，能夠實現自動開/關機功能，對一般應用來說是較好的選擇。