一種新的和改進(jìn)的閉鎖電源開(kāi)關(guān)

其中可以使瞬時(shí)按鈕的功能類(lèi)似于閉鎖機(jī)械開(kāi)關(guān)。這篇文章產(chǎn)生了大量的讀者反饋。在其他評(píng)論中，讀者質(zhì)疑是否可以調(diào)整電路以提供 (a) 交叉耦合布置，其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以相互“抵消”；(b) “時(shí)間延遲”版本，其中電路將在預(yù)定時(shí)間過(guò)去后關(guān)閉。這個(gè)想法試圖解決這些建議中的每一個(gè)。

交叉耦合鎖存開(kāi)關(guān)

圖 1顯示了兩個(gè)以交叉耦合方式連接的開(kāi)關(guān)電路，其中每個(gè)開(kāi)關(guān)由其自身的瞬時(shí)按鈕打開(kāi)和關(guān)閉，并且在另一個(gè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)也關(guān)閉。這種相互抵消行為適用于汽車(chē)指示器等應(yīng)用。

 
圖 1交叉耦合開(kāi)關(guān)獨(dú)立鎖存但相互抵消。
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這兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路完全相同且互為鏡像，即 R1a 提供與 R1b 相同的功能，Q1a 的行為與 Q1b 完全相同，依此類(lèi)推。此外，除了額外的交叉耦合組件（C2、D1、D2、R6、R7 和 Q3）之外，每個(gè)電路都與之前設(shè)計(jì)理念的圖 1(a) 中所示的電路基本相同，您會(huì)發(fā)現(xiàn)基本電路功能的詳細(xì)描述。請(qǐng)記住，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)，可能需要也可能不需要 R5，對(duì)于電機(jī)等負(fù)載，可能需要在 OUT (+) 端子和負(fù)載之間安裝一個(gè)阻塞二極管。

要了解交叉耦合的工作原理，假設(shè)開(kāi)關(guān) (a) 當(dāng)前關(guān)閉，開(kāi)關(guān) (b) 打開(kāi)，這樣 Q1a 和 Q2a 關(guān)閉，Q1b 和 Q2b 都導(dǎo)通并通過(guò) R3b 為彼此提供偏置和R4b。如果現(xiàn)在按下瞬時(shí)按鈕 Sw1a，Q1a 和 Q2a 接通，開(kāi)關(guān) (a) 鎖定到通電狀態(tài)。在 Q2a 打開(kāi)時(shí)，電流脈沖通過(guò) D1a、C2a 和 R7a 傳送到 Q3a 的基極，導(dǎo)致 Q3a 瞬間打開(kāi)，從而將 Q1b 的基極短接至 0V?，F(xiàn)在 Q1b 和 Q2b 均關(guān)閉，開(kāi)關(guān) (b) 鎖定到其關(guān)閉狀態(tài)。開(kāi)關(guān) (a) 現(xiàn)在鎖定在其通電狀態(tài)，并且開(kāi)關(guān)將保持此狀態(tài)，直到按下任一按鈕開(kāi)關(guān)。所以，如果現(xiàn)在按下 Sw1b，Q1b 和 Q2b 就會(huì)打開(kāi)，

Q3 短暫導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)度由 C2-R7 的時(shí)間常數(shù)決定，并且必須足夠長(zhǎng)以使對(duì)面的 MOSFET 完全關(guān)閉。請(qǐng)記住，當(dāng) Q1 關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)在 Q2 柵極上的電荷必須通過(guò)與 R3 串聯(lián)的 R1 完全移除。一些“大”（高電流）MOSFET 具有數(shù)十納法拉的柵極電容，因此當(dāng) R1 = R3 = 10kΩ 時(shí)，柵極完全放電可能需要幾毫秒?，F(xiàn)在，在 C2 = 100nF 和 R7 = 10kΩ 的情況下，Q3 將 Q1 的基極鉗位大約 5ms，這段時(shí)間應(yīng)該足以關(guān)閉大部分 P 溝道 MOSFET。

在上述電流脈沖結(jié)束時(shí)，存儲(chǔ)在 C2 上的電壓將大致等于電源電壓 +Vs。如果沒(méi)有二極管 D1，該電壓將使 Q1 保持導(dǎo)通，從而防止開(kāi)關(guān)關(guān)斷。由于電路中有 D1，阻斷作用使開(kāi)關(guān)正常關(guān)斷，這樣當(dāng) Q2 關(guān)斷時(shí)，C2 上的電壓通過(guò) R6-D2-R7 形成的路徑放電。

盡管開(kāi)關(guān) (a) 和開(kāi)關(guān) (b) 是相同的，但它們不需要共享相同的電源電壓，即 +Vs(a) 和 +Vs(b) 不需要相等并且可以來(lái)自不同的. 然而，為了使圖 1 中的電路實(shí)現(xiàn)交叉耦合，開(kāi)關(guān) (a) 和開(kāi)關(guān) (b) 必須共用一個(gè)公共接地回路 (0V)。對(duì)于存在此問(wèn)題的應(yīng)用，Q3a 和 Q3b 可以替換為光耦合器（圖 2），這允許每個(gè)開(kāi)關(guān)都有自己的接地回路，彼此電氣隔離。大多數(shù)普通或普通光耦合器應(yīng)該工作得很好，但請(qǐng)記住，光器件的 LED 需要比晶體管更多的驅(qū)動(dòng)電壓，因此如果電源電壓 +Vs，則可能需要減小 R7 的值（并相應(yīng)地增加 C2） , 相當(dāng)?shù)汀?/p>

 
圖 2光耦合器允許完全隔離的交叉耦合開(kāi)關(guān)。

帶定時(shí)輸出的鎖存開(kāi)關(guān)
某些應(yīng)用可能需要一個(gè)在預(yù)設(shè)時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉的鎖存開(kāi)關(guān)。圖 3顯示了實(shí)現(xiàn)定時(shí)輸出的一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法，其中 Q1 已從單個(gè)晶體管變?yōu)檫_(dá)林頓對(duì)，并且電容器 C2 已插入 Q2 的漏極和 R4 之間。和以前一樣，瞬時(shí)按鈕 Sw1 用于控制電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，Q2 導(dǎo)通并通過(guò) C2 和 R4 為達(dá)林頓管提供偏置電流。電路現(xiàn)在鎖存到通電狀態(tài)，Q2 通過(guò) Q1 保持導(dǎo)通。

 
圖 3對(duì)基本開(kāi)關(guān)電路的微小改動(dòng)允許預(yù)設(shè)定時(shí)輸出。

C2 現(xiàn)在開(kāi)始充電，C2 和 R4 連接處的電壓下降的速率主要由 C2-R4 的時(shí)間常數(shù)決定。隨著該電壓下降，通過(guò) R4 傳送到達(dá)林頓管的基極電流也會(huì)下降；終，達(dá)林頓管的集電極電流變得太小，無(wú)法為 Q2 提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)，MOSFET 關(guān)斷。開(kāi)關(guān)現(xiàn)在恢復(fù)到解鎖狀態(tài)，C2 通過(guò) D1 和與 R5 并聯(lián)的負(fù)載（如果安裝）放電。請(qǐng)注意，只需按下按鈕，即可在定時(shí)“開(kāi)啟”期間的任何時(shí)間點(diǎn)解鎖開(kāi)關(guān) - 無(wú)需等到輸出超時(shí)。

達(dá)林頓對(duì)提供的高電流增益允許使用較大的 R4 值（大約幾兆歐）來(lái)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)。由 15V 電源供電的測(cè)試電路產(chǎn)生的“導(dǎo)通”時(shí)間范圍從大約 9 秒（C2 = 1μF 和 R4 = 1MΩ）到剛剛超過(guò) 15 分鐘（C2 = 10μF 和 R4 = 10MΩ）。將 C2 增加到 100μF 會(huì)導(dǎo)致“導(dǎo)通”時(shí)間超過(guò)兩個(gè)小時(shí)。

盡管適用于要求不高的應(yīng)用，但該電路存在一些可能會(huì)限制其適用性的缺點(diǎn)。達(dá)林頓電流增益（隨設(shè)備和溫度的不同而有很大差異）在確定電路的時(shí)間常數(shù)方面起著重要作用，因此使電路不適合需要控制“導(dǎo)通”時(shí)間的應(yīng)用。同樣，電源電壓的變化也會(huì)影響“開(kāi)啟”時(shí)間。

此外，達(dá)林頓管集電極電流逐漸減小的事實(shí)導(dǎo)致 MOSFET 的關(guān)斷速度相對(duì)較慢。這種效應(yīng)可以在示波器（圖 4）中看到，它顯示了一個(gè)電路的輸出，該電路由 15V 供電，負(fù)載為 500Ω，Q2使用FDS6675A MOSFET（R4 = 1MΩ）。注意輸出從 15V（“開(kāi)”狀態(tài)）到 0V（“關(guān)”狀態(tài)）的轉(zhuǎn)換需要將近三毫秒的時(shí)間。這種從容關(guān)斷對(duì)于輕負(fù)載來(lái)說(shuō)可能是可以接受的，但對(duì)于開(kāi)關(guān)大電流的 MOSFET 來(lái)說(shuō)并不是理想的行為。

圖 4對(duì)于輕負(fù)載來(lái)說(shuō)，緩慢關(guān)斷可能是可以接受的。

電路的改進(jìn)版本如圖 5所示，其中達(dá)林頓管已被雙路漏極開(kāi)路/集電極開(kāi)路比較器 (IC1) 取代，R5 已被分壓器 R4-R5 取代。R6-R7 分壓器產(chǎn)生參考電壓 Vref（比較器電源電壓 Vcs 的恒定分?jǐn)?shù)），為兩個(gè)比較器提供穩(wěn)定的參考。

 
圖 5改進(jìn)后的電路可提供準(zhǔn)確的定時(shí)、快速切換和對(duì)電源電壓變化的免疫力。

首次按下按鈕開(kāi)關(guān)時(shí)，Q2 導(dǎo)通，為負(fù)載供電并正向偏置 D1，為比較器提供電源電壓 Vcs。現(xiàn)在，如果 R4/R5 = R6/R7，電壓 Vx 將略大于 Vref，導(dǎo)致 IC1a 的輸出晶體管導(dǎo)通。其輸出變?yōu)榈碗娖剑ń咏?0V），從而通過(guò) R3 為 Q2 提供柵極偏置。

電路現(xiàn)在鎖定在“導(dǎo)通”狀態(tài)，定時(shí)電容器 C4 開(kāi)始通過(guò) R8 充電，C4 上的電壓 Vc 呈指數(shù)上升。在 Vc 剛好超過(guò) Vref 時(shí)，比較器 IC1b 跳閘，其輸出晶體管導(dǎo)通，將 Vx 拉低至 0V。IC1a 的輸出晶體管現(xiàn)在關(guān)閉，并且由于 Q2 不再有柵極驅(qū)動(dòng)，MOSFET 關(guān)閉并且開(kāi)關(guān)解鎖。C4 現(xiàn)在通過(guò) D2-R6-R7 路徑相對(duì)快速地放電。與更簡(jiǎn)單的電路一樣，只需按下按鈕即可隨時(shí)解鎖開(kāi)關(guān)。

阻塞二極管 D1 提供雙重功能。當(dāng) Q2 關(guān)閉時(shí)，它將 R2 與存儲(chǔ)在 C2 上的電荷隔離開(kāi)，從而確保開(kāi)關(guān)正確解鎖。此外，它還可以防止 C2（和 C4）在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)通過(guò)負(fù)載快速放電。這為比較器在 Q2 關(guān)閉時(shí)保持供電提供了短暫的時(shí)間，從而確保電路以有序的方式關(guān)閉。從開(kāi)關(guān)輸出而不是電源電壓為比較器供電滿足本文中所有電路的基本要求，即（就像機(jī)械開(kāi)關(guān)一樣）“關(guān)閉”狀態(tài)下的功耗為零。

圖 6顯示了電路的時(shí)序方程式以及使用 IC1 = TLC393、R4 = R6 = 10kΩ、R5 = R7 = 22kΩ 和 +Vs = 15V 構(gòu)建的測(cè)試電路的結(jié)果。請(qǐng)注意，Vcs 不在等式中，因此“導(dǎo)通”時(shí)間在很大程度上不受電源電壓變化的影響。

 
圖 6以下是圖 5 中電路的時(shí)序方程和測(cè)試結(jié)果。

除了 C4 = 100μF 的情況外，測(cè)量結(jié)果和理論結(jié)果非常吻合，這種情況產(chǎn)生的“導(dǎo)通”時(shí)間比計(jì)算的時(shí)間長(zhǎng)得多。這很可能是由于用于該測(cè)試的電解電容器內(nèi)部泄漏所致（非電解類(lèi)型用于 1μF 和 10μF 測(cè)試）。使用合適的組件，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)一個(gè)小時(shí)的“開(kāi)啟”時(shí)間。

忽略 D1 上的壓降，比較器電源電壓與直流電源電壓大致相同 (Vcs ≈ +Vs)，這會(huì)影響可以使用的比較器的類(lèi)型。TLC393雙微功率比較器是理想的選擇，因?yàn)樗鼈兊墓β室髽O低且輸入偏置電流極低（通常為 5pA），盡管它們的電源電壓限制在 16V 左右。LM393 _提供相同的功能，可用于高達(dá) 30V 的電源電壓。但是，電源電流大于 TLC393，輸入偏置電流相對(duì)較大（通常為 ?25nA），這會(huì)影響 C4 的充電速率。選擇 R4-R7 的值時(shí)，確保 Vx 和 Vref 不超過(guò)比較器的共模電壓上限（對(duì)于 TLC393 和 LM393，大約比 Vcs 低 1.5V）。

除了對(duì)定時(shí)輸出提供相當(dāng)?shù)目刂仆?，電路從“開(kāi)”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“關(guān)”狀態(tài)的速度比圖 3 中的簡(jiǎn)單電路快得多。圖 7 中所示的示波器顯示了測(cè)試電路的輸出由 15V 供電，具有與簡(jiǎn)單電路相同的 500Ω 負(fù)載和 FDS6675A MOSFET。與圖 4 中有些遲緩的響應(yīng)相比，從完全“開(kāi)啟”到完全“關(guān)閉”的切換時(shí)間大大縮短了大約 100μs。

圖 7電路的修改創(chuàng)建了從“打開(kāi)”到“關(guān)閉”的更快速轉(zhuǎn)換。