Схемы на основе транзисторов MOSFET могут включать и выключать питание электронных схем с управлением от одной кнопки, как если бы это был механический двухпозиционный переключатель.
На этой страничке (перевод [1]) приведены несколько вариантов схем, которые позволяют включать и выключать питание устройств на микроконтроллере, или другой электроники. Схема выключения может находиться в одном из двух состояний - OFF (питание на выходе отсутствует) и ON (на выход подается питание), переходы между этими состояниями осуществляются нажатием одной кнопки, не имеющей фиксации (2 контакта на замыкание).
В зависимости от приложения, может потребоваться одно из двух вариантов поведения ON/OFF:
● Короткие нажатия на кнопку действуют наподобие переключения триггера, один раз нажали - включили, еще раз нажали - выключили (Press-ON-Press-OFF). ● Включение коротким нажатием, выключение длинным нажатием (Press-ON-Hold-OFF). Подобным образом работает кнопка включения питания системного блока компьютера или ноутбука.
Схемы электронных выключателей, показанные здесь, предоставляют оба этих варианта поведения. Также рассматриваются следующие вопросы, которые могут Вас заинтересовать: ключи ON/OFF, ограничивающие бросок тока при зарядке конденсатора, или ключи, специально приспособленные для управления включением/выключением устройств на микроконтроллере (MCU).
[Защелки Press ON - Press OFF]
Для реализации схемы, которая управляется нажатиями кнопки, нужна бистабильная ячейка памяти, сохраняющая одно из двух устойчивых состояний. Такая ячейка (защелка) может быть реализована на основе D-триггера, либо на основе цепочки из двух логических инверторов, охваченных положительной обратной связью. Например, можно реализовать подобную схему а основе двух логических элементов И-НЕ (NAND):
Рис. 1. Защелка ON/OFF на основе двух логических элементов И-НЕ, управляемая нажатиями на кнопку.
Примечание: схема рис. 1 реализована на элементах CMOS-логики CD4011BPWR, однако можно применить любые микросхемы логики с инверсией. Схема расчиана на диапазон рабочих напряжений от 3V до 18V.
Короткие нажатия на кнопку будут переключать уровень на выходе (Vout) схемы в противоположное состояние (либо 0, либо уровень напряжения питания). Для реализации схемы можно использовать любые логические элементы CMOS, включая элементы с триггером Шмидта. Фактически могут использовать любые инвертирующие сигнал электронные устройства: HEX-инвертор, инверторы с открытым коллектором (стоком), элементы логики NAND или NOR, транзисторы биполярные и полевые (FET или MOSFET).
Когда на схему первый раз подано питание, емкость на входе первого элемента (0.01 мкф) гарантирует, что на выходе схемы Vout изначально будет низкий уровень, близкий к 0V. После этого нажатиями на кнопку можно переводить уровень напряжения на выходе схемы в высокий уровень, и обратно.
Чтобы превратить схему в выключатель питания, выход элемента NAND должен быть подключен к затвору P-канального транзистора MOSFET:
Рис. 2. Защелка управляет P-MOSFET.
На рис. 2 показанный транзистор IFR7416 MOSFET допускает напряжение затвор-исток 20V. Следует иметь в виду, что для CD4011 по даташиту рекомендуется использовать максимальное напряжение питания 18V.
Верхний транзистор P-MOSFET может выполнять функцию одного из инверторов защелки. Таким образом, можно тот же функционал реализовать на основе двух транзисторов MOSFET (верхний с P-каналом, нижний с P-каналом). Ниже приведена такая схема на основе транзисторной сборки IRF7319:
Рис. 3. Реализация защелки на двух транзисторах MOSFET.
Схема на рис. 3 достаточно мощная, чтобы включать и выключать ток нагрузки до 4A. Нагрузкой может быть любое электронное устройство, от мощной светодиодной лампы до встраиваемых компьютеров.
[Управление емкостными нагрузками]
Верхний транзистор MOSFET в цепи положительной обратной связи может не обеспечить выключение нагрузки, зашунтированной конденсатором большой емкости, что приведет к неустойчивому включению схемы. Если на выходе подключена большая емкость, и нагрузка не обеспечивает на её шине питания достаточный для быстрого разряда конденсатора ток, то нажатие на кнопку для выключения может срабатывать ненадежно. Вместо этого на выходе будет удерживаться напряжения, из-за чего нижний транзистор будет оставаться открытым, и верхний транзистор не закроется после отпускания кнопки.
Есть способ избежать подобного отказа - поставить диод Шоттки последовательно с нагрузкой, к которой подключен конденсатор большой емкости:
Рис. 4. Диод Шоттки решает проблему медленного спада напряжения на нагрузке.
[Схемы Press ON - Hold OFF]
Для управления питанием "умных" устройств, содержащих микроконтроллеры, часто необходимо обеспечить условие, чтобы питание не пропадало неожиданно для хода выполнения программы. Следовательно требуется такой выключатель питания, который включает устройство коротким нажатием (Press ON), но выключает его длительным удержанием кнопки (Hold OFF). Это предотвратит случайное выключение устройства, когда кнопка была нажата случайно.
На следующем рисунке показана защелка на элементах NAND, где реализована такая функция:
Рис. 5. Схема защелки, работающая по принципу "Включить нажатием - выключить удержанием" (Press ON - Hold OFF).
Когда первый раз было подключено питание, на выходе на 3 секунды удерживается низкий уровень, в течение этого времени нажатие на кнопку не дает никакого эффекта. После этого короткое нажатие переводит выход в высокий уровень, и удержание кнопки на время больше 3 секунд переведет выход на низкий уровень. Уровень на выходе можно использовать для включения и выключения различных устройств, включая верхние и нижние силовые ключи MOSFET. Выход другого элемента NAND можно можно использовать, если нужен инверсный логический уровень.
Следующая схема показывает очень полезную схему для управления верхним силовым ключом (P-MOSFET). Эта схема использует только один активный компонент - сдвоенный MOSFET, который обеспечивает логику защелки и работает как электронное реле / выключатель питания. Короткое нажатие включает защелку, и на выходе предоставляется напряжение питания, и долгим удержанием защелка возвращается в состояние отключенного питания на выходеd. Схема может предоставлять питание от 5V до 18V при токе до 4A.
Рис. 6. Схема подачи питания с верхним силовым ключом, работающая по принципу Press ON - Hold OFF.
В начальном состоянии OFF эта схема практически не потребляет энергии, за исключением очень малого тока (доли микроампер) из-за обратной утечки через диод и транзисторы MOSFET. Даже в состоянии ON схема берет на себя очень малую долю энергии для поддержки включенного состояния, это ток через резисторы 100 кОм. Потери мощности минимальны; P-MOSFET в открытом состоянии имеет сопротивление порядка 58 миллиОм. Для надежного выключения нагрузка на выходе должна потреблять достаточный ток, чтобы успели в течение нескольких секунд разрядиться выходные кодненсаторы, что позволит выходному напряжению упасть до уровня ниже напряжения отсечки затвора нижнего N-MOSFET.
Сопротивление открытого состояния RDS-ON верхнего P-MOSFET составляет всего лишь 0.058 Ом, поэтому даже маленький корпус SO-8 сдвоенного транзистора IRF7319 не будет перегреваться, даже когда ток через верхний транзистор достигнет 4A. Максимум входного напряжения ограничен предельно допустимым напряжением затвор-нистор (gate-source voltage, VGS), которое составляет по даташиту 20V (см. даташит в архиве [11]). Для надежности лучше не превышать входное напряжение 18V, чтобы оставался запас по безопасности 2V.
Конденсатор 10 мкФ должен быть с малым током утечки, для этой цели хорошо подходят керамический конденсатор.
Работает схема следующим образом: когда впервые подключен источник питания, поведение схемы зависит от положения перемычки Auto-OFF/Auto-ON. Если перемычка в положении Auto-OFF, то напряжение затвор-исток верхнего P-MOSFET остается нулевым, тогда верхний транзистор остается закрытым, и напряжение на выход не поступает. Если перемычка в положении Auto-ON, то при нарастании напряжения на входе ток, заряжающий конденсатор 0.1 мкФ, создает на затворе верхнего P-MOSFET открывающее напряжение, и тогда он откроется, также откроется и нижний N-MOSFET, и на выходе появится напряжение питания. В состоянии OFF короткое нажатие на кнопку на несколько десятков миллисекунд подтянет к минусу затвор верхнего P-MOSFET, он полностью откроется, и схема заблокируется во включенном состоянии, потому что нарастание выходного напряжения откроет нижний N-MOSFET, потому что на его затвор через ток заряда конденсатора 10 мкФ будет подано открывающее напряжение. Когда нижний транзистор открыт, он будет подтягивать затвор верхнего транзистора к минусу, тем самым оба транзистора будут поддерживать друг друга в открытом состоянии. Следовательно, схема будет оставаться в состоянии ON, когда кнопка будет отпущена. Достаточно нескольких вольт открывающего напряжения между затвором и истоком, чтобы транзисторы MOSFET, верхний и нижний, оставались открытыми (кстати, этим напряжением ограничивается минимальное управляемое напряжение питания 5V).
Когда схема в состоянии ON, долгое нажатие на кнопку переводит схему в состояние OFF. Нажатие и удержание кнопки приводит к тому, что снижается уровень на затворе нижнего N-MOSFET за счет разряда конденсатора 10 мкФ через резистор 300 кОм. Нижний MOSFET закроется, и вслед за этим также закроется и верхний P-MOSFET, потому что на его затвор перестанет поступать открывающий отрицательный потенциал. Пока напряжение нагрузки падает в течение секунды или около этого времени (это время зависит от емкости выходных конденсаторов и тока потребления нагрузки), питание отключается до следующего короткого нажатия на кнопку.
Конденсатор обратной связи позволяет схеме работать даже при наличии умеренной емкостной нагрузке на выходе (емкостная нагрузка замедляет падение выходного напряжения при выключении). Пользователь удерживает кнопку до тех пор, пока не заметит, что напряжение питания выключено. В течение этого времени напряжение на выходе уменьшается, и это изменение выходного напряжения передается через конденсатор обратной связи на затвор нижнего N-MOSFET, удерживая его в состоянии OFF даже когда напряжение на выходе все еще превышает напряжение включения на затворе.
[Управление поведением по умолчанию для включения питания]
Как уже кратко упоминалось выше, перемычка Auto-OFF/Auto-ON на схеме рис. 6 позволяет управлять поведением схемы по умолчанию при первоначальной подаче питания - схема может либо оставаться выключенной (Auto-OFF), либо сразу включиться при появлении входного напряжения (Auto-ON).
Схема на рис. 7 ниже показана схема, аналогичная рис. 6, но здесь можно дополнительно управлять скоростью нарастания выходного напряжения, за счет чего ограничивается бросок тока при включении:
Рис. 7. Перемычка Auto-ON/Auto-OFF определяет, в каком состоянии окажется напряжение на выходе при первом подключении входного напряжения.
На рис. 13 далее показана защелка ON/OFF с таким же функционалом, то там также добавлено ограничение броска тока при включении.
[Верхний P-MOSFET при коммутации больших напряжений]
Хотя многие транзисторы MOSFET могут переключать большие напряжения (которые прикладываются между их стоком и истоком), они все же не допускают слишком большого напряжения между истоком и затвором. Обычно допустимый предел напряжения между истоком из затвором составляет от 12V до 20V. В показанных выше схемах напряжение питания ограничено сверху уровнем 18V, потому что максимально допустимое напряжение затвор-исток (VGS) транзисторов IRF7319 MOSFET составляет 20V.
Для использования в этих схемах повышенного напряжения нужно защитить транзисторы от чрезмерного напряжения на переходе исток-затвор. Это можно сделать с помощью диода Зенера (стабилитрона), как показано на рис. ниже:
Рис. 8. Защелка ON/OFF с ограничением броска тока при включении для повышенного коммутируемого напряжения.
Здесь диод Зенера на 15V ограничивает напряжение на переходе затвор-исток верхнего P-MOSFET. Когда нижний N-MOSFET открыт, он подтягивает затвор верхнего P-MOSFET к земле, открывая его отрицательным потенциалом. При этом напряжение затвор-исток для P-MOSFET не превысит 15V за счет падения напряжения на нижнем резисторе 100 кОм и тока через открытый диод Зенера. Напряжение на затвор N-MOSFET подается от низковольтного регулятора 5V, поэтому для него подобная защита не нужна.
Добавление диода Зенера на 15 вольт расширяет входное напряжение до VDS_MAX транзистора MOSFETS, которое для IRF7319 равно 30V. Входное напряжение на схеме указано максимальным 26V, чтобы оставалась некоторый запас по безопасности. Можно использовать другую пару транзисторов MOSFET с более высоким напряжением FDS4897C на 40V.
Также на схеме установлен защитный варистор 33V (ERZ-CF2MK330). Он полностью выключен при входном напряжении 26V, но начинает открываться при более высоких напряжениях, и при напряжении 33V принимает на себя большое количество тока.
На показанной схеме смещение затвора нижнего транзистора MOSFET обеспечивается за счет дополнительного понижающего регулятора на 5V. Если же необходимо, чтобы напряжение обратной связи должно быть взято непосредственно выхода верхнего MOSFET, то затвор нижнего транзистора также требует защиты. Такая защита может быть реализована аналогичным образом, с помощью еще одного диода Зенера на 15V, который должен быть подключен анодом к земле, а катодом к ограничивающему напряжение резистору.
В этой схеме, как и в предыдущих, остается требование к выходным конденсаторам по питанию - они не должны быть слишком большие, чтобы удерживать напряжение на затворе N-MOSFET в течение длительного времени после закрытия P-MOSFET, и схема могла надежно выключаться.
[Электронный ключ MOSFET при коммутации низких напряжений]
Чтобы схема могла работать на низких напряжениях, например от последовательно включенных двух батареек AAA или AA, необходимо применить транзисторы MOSFET низким пороговым напряжением на затворе. В зависимости от состояния разряженности батарей и их внутренней химии входное напряжение в этом случае может быть между 1.8V и 3.5V. Рассмотренные выше схемы будут хорошо работать в диапазоне входного напряжения порядка от 5V до 18V, однако они не смогут работать для низких напряжений.
Ограничение на минимальное рабочее напряжение происходит из-за порогового напряжения затвора MOSFET, VGS-TH. В рассмотренных выше схемах использовались пары транзисторов типа IRF7319 MOSFET, которые начинают открываться при пороговом напряжении VGS-TH=1V (когда ток через канал всего лишь 250 мкА), и полностью откроются при VGS=3V. Из даташита на IRF7319 следует, что при VGS=3V транзистор может пропускать ток больше ампера, и сопротивление открытого канала получается меньше 0.1 Ом. Таким образом, верхний транзистор IRF7319 будет полностью открыт от 3V. Однако можно заметить, что в даташите не указано, где в промежутке от 1V до 3V транзистор начинает реально включаться. Очевидно, что в этом интервале MOSFET находится в активном, не полностью открытом состоянии. В даташите показан график, где VGS начинается только от 3V. При этом напряжении сопротивление канала RDS-ON начинает расти очень быстро по мере уменьшения отрывающего напряжения на затворе VGS, при VGS < 3V.
Можно расширить диапазон входного питающего напряжения в сторону уменьшения, если выбрать подходящие транзисторы MOSFET, например пару Si3588DV. Эти транзисторы полностью открываются от VGS ≥ 1.5V (и в даташите приведен график с напряжением VGS 1.5V), однако они не могут пропускать такой же ток, как и IRF7319. Кроме того, максимально допустимое напряжение VGS составляет 8V, так что напряжение батареи не должно превышать этот уровень.
В схеме на рис. 9 показано использование пары Si3588DV, которая хорошо работает для напряжений от 1.5V до 7.5V, что хорошо подходит для использования с последовательно соединенными двумя, тремя или четырьмя алкалиновыми батарейками, либо аккумуляторами NiMH, или с одним основанным на кобальте Li-Ion аккумулятором на 3.7V (с напряжением полного заряда до 4.2V), или двумя последовательно соединенными аккумуляторами 3.2V LiFePO4/LFP (могут заряжаться до 7.2V).
Рис. 9. Электронный выключатель питания для использования в устройствах с питанием от батареи.
Схема на рис. 9 работает по принципу Press-ON-Hold-OFF, когда короткое нажатие включает устройство, а для выключения требуется долгое нажатие. Эту схему можно использовать в сценарии с выключением от микроконтроллера, с ограничением пускового тока (см. схемы далее) при условии, что входное напряжение не будет превышать 8V.
Примечание: пара Si3588DV MOSFET в настоящее время больше не производится, поэтому лучше использовать эквивалентную замену на IRF7317PbF MOSFET.
[Управляемое включение и выключение питания в устройствах на микроконтроллере]
Следующие электронные схемы могут использоваться в устройствах, где работает микроконтроллер (MCU). Многие встраиваемые компьютеры не имеют выключателя ON/OFF. Например, одноплатные компьютеры от Mosaic [8], или такие платки как Raspberry Pi [12] или Arduino, которые сразу включаются, когда на них подано питание, и отключаются только когда это питание снято.
Часто необходимо устройство с кнопкой для включения и выключения. Реализовать включение обычно довольно просто: контакты кнопки замкнут цепь, MCU включится, запустит свою программу и может заблокировать контакты кнопки с помощью транзистора или реле. Выключить питание сложнее – после нажатия на кнопку должно пройти некоторое время, которое позволит MCU перейти в безопасное для выключения состояние - могут потребоваться для программы выполнить дополнительные действия, связанные с выключением, например сохранить в EEPROM текущее состояние устройства, после чего MCU должен сам себя выключить. Если MCU по какой-либо причине не может выполнить самостоятельное выключение (из-за сбоя в программе, или если самостоятельное выключение не было предусмотрено), то долгое нажатие на кнопку должно принудительно включить питание. Другими словами, в устройстве нужен электронный выключатель таким же поведением, как системном блоке компьютера или ноутбука.
На рис. 10 показана схема, которая реализует подобный функционал. MCU может выключить сам себя в ответ на нажатие кнопки, либо питание все равно будет выключено, если кнопка удерживается нажатой достаточно долго.
В этой схеме короткое нажатие на кнопку включит питание устройства (ON), и схема заблокирует саму себя в таком состоянии. Второе нажатие может инициировать выключение, также есть возможность для программы MCU выключить самого себя. Долгое удержание кнопки принудительно выключит систему (состояние OFF).
Если Вы используете платы Raspberry Pi или Arduino, то такая схема будет хорошим добавлением для таких плат. См. также [9], где показана схема, специально разработанная для платы Raspberry Pi.
Электронный ключ MOSFET в схеме на рис. 10 работает следующим образом.
● Когда внешнее питание было подключено впервые, то первоначальное состояние схемы будет определяться положением перемычки Auto-OFF/Auto-ON. Если эта перемычка в положении Auto-OFF, то ключ не включится, и на выходе напряжения не будет. Если перемычка в состоянии Auto-ON, то при подаче питания на вход произойдет автоматическое включение устройства. В состоянии OFF схема не потребляет тока, и в состоянии ON потребляется только очень небольшая мощность, рассеиваемая на малом сопротивлении канала P-MOSFET, и на токоограничивающих резисторах делителей, обеспечивающих напряжение открывания на затворах. ● Короткое нажатие в выключенном состоянии включает питание системы. ● Когда устройство выключается, короткое нажатие на кнопку не повлияет на защелку. Однако событие короткого нажатия может определить программа MCU, потому что через диод на ножке порта GPIO будет выставлен уровень, соответствующий лог. 0. Программа определит этот уровень, переключит GPIO режим выхода, и выставленный программно лог. 0 на этом выходе выключит всю систему. Такой способ выключения позволит реализовать санкционированное выключение системы - программа может сохранить свои настройки в энергонезависимую память, вывести на экран сообщение о выключении, или выполнить другие действия, связанные с выключением. ● У программы MCU появляется возможность автоматически выключить устройство. Например, когда долгое время не было никаких действий со стороны пользователя, слишком разрядился аккумулятор, и т. п. Для выключения нужно настроить ножку порта на выход, и выдать на выход лог. 0. Тогда через несколько секунд произойдет выключение (это время зависит от времени разряда конденсатора 10 мкФ).
Для оптимального использования схемы программа MCU должна сделать следующее:
● При запуске (сбросе при включении питания) ножка GPIO должна быть настроена как вход. ● Для этой ножки порта нужно сконфигурировать прерывание, которое будет срабатывать на появление лог. 0. ● Прерывание для ножки порта должно инициировать процедуру программного выключения. При этом после завершения всех подготовительных действий (отключение аппаратных устройств, сохранение параметров в энергонезависимую память и т. п.) ножка порта перенастраивается как выход (двухтактный или с открытым стоком), и на неё выводится лог. 0. ● Установка ножки выхода в лог. 0 через несколько секунд сбросит ключи MOSFET в отключенное состояние, и тем самым будет выключено питание всей системы, включая MCU.
Схема на рис. 10 хорошо работает при входных напряжениях в диапазоне от 5 до 18 вольт. Если нужна работа от батареи, например при напряжении от 2V до 3.5V (две батарейки AAA или AA) то необходимо применять транзисторы MOSFET с более низким пороговым напряжением открывания исток-затвор (VGS). См. выше описание в разделе "Электронный ключ MOSFET при коммутации низких напряжений".
Приведенная на рис. 10 схема не ограничивает пиковый ток на шине питания MCU 5V. Если необходимо ограничение тока, то схема должна быть модифицирована с добавлением диода, резистора и конденсатора, как описано далее в разделе "Ограничение предельного тока электронного ключа MOSFET".
Рис. 11. Схема включения питания для Mosaic Handheld computer [8].
В этой схеме реализовано пиковое ограничение тока и поведение Push-ON-Hold-OFF, когда короткое нажатие на кнопку включает питание, а длинное нажатие выключит питание принудительно. Также если это предусмотрено в программе, лог. 0 на ножке процессора может выключить питание системы. Ток потребления схемы 11 в выключенном состоянии очень незначителен.
Было бы удобно использовать обычную кнопку на замыкание для включения и выключения компьютера на основе Raspberry Pi. Нажатие на эту кнопку должно подать питание на коннектор microUSB платы, и удерживать это питание включенным, пока Raspberry Pi инициализируется и запускает свои прикладные программы. Для выключения Raspberry Pi должно быть реализовано несколько вариантов:
● Плата Raspberry Pi должна быть в состоянии выключить саму себя автономно, под управлением программы - по внутреннему таймеру, или в ответ на команду, переданную по сети (Ethernet или Wi-Fi). ● Должна быть возможности инициирования выключения коротким нажатием на кнопку. В этом случае Raspberry Pi также должна программно выключить саму себя. ● Если Raspberry Pi зависла и не может выключиться, то должна быть предусмотрена возможность принудительного выключения путем долгого удержания кнопки.
Для такого функционала с Raspberry Pi может быть легко приспособлена схема на рис. 10, показанная выше в разделе "Управляемое включение и выключение питания в устройствах на микроконтроллере":
Рис. 12. Реализация схемы с кнопкой ON/OFF для управления питанием компьютера Raspberry Pi.
В показанной схеме есть два варианта(1) подачи питания 5V для Raspberry Pi. Напряжение можно подать через коннектор microUSB, в этом случае ток проходит через самовосстанавливающийся предохранитель PolySwitch™, ток срабатывания 1.1A(2), перед тем как попасть на остальную схему Raspberry Pi. Другой вариант подачи питания - подключить его к коннектору P1, в таком случае питание будет приходить в обход этого предохранителя. Достоинство подачи питания через P1 и обхода предохранителя в том, что 5V тогда будет подаваться на коннекторы USB платы Raspberry Pi, и эти коннекторы смогут подавать питание 5V на внешние устройства USB, потребляющие значительный ток(3).
Примечания:
(1) Эти варианты показаны на схеме как выключатели; на практике это будут просто провода, которые подключают тот или иной вариант подачи питания. (2) Хотя предохранитель PolySwitch™ на схеме не показан, скорее всего он типа miniSMDC110F-2, с рабочим током 1.1A и током срабатывания 2.2A. (3) Справедливо как минимум для случая Raspberry Pi версии Rev 2. Версия Raspberry Pi Rev 1 два коннектора USB получают питание через самовосстанавливающийся предохранитель miniSMDC014 (140 мА рабочий ток, 280 мА ток срабатывания). На Rev 1.1 плат эти предохранители заменены на 0 Ом перемычки, и на платах Rev 2 напряжение 5V напрямую подается на коннекторы USB.
Независимо от выбраненного способа подачи питания 5V на плату, необходимо использовать сигнал GPIO4 (контакт 7 на разъеме P1) для обратной связи со схемой электронного ключа. Тогда плата Raspberry Pi сможет выключить саму себя подачей лог. 0 на ножку выхода порта GPIO4.
[Использование GPIO4 для входа и выхода]
Базовые принципы работы были описаны выше (см. например врезку "Подробное описание работы схемы на рис. 10", однако здесь следует сделать несколько дополнительных замечаний.
● Схема электронного ключа управления питанием использует одну ножку порта Raspberry Pi как вход и выход – сигнал GPIO4. Из-за того, что нумерация сигналов GPIO отличается и не согласуется с нумерацией выводов микросхемы BCM2835 и нумерацией выводов коннектора Raspberry Pi, необходимо явно обратить внимание на следущее: мы используем сигнал GPIO4, который присутствует на 7 выводе 26-контактного коннектора P1. Некоторые сигналы отличаются между ревизиями плат Rev 1 и Rev 2 – однако GPIO4 для обоих версий остается на контакте 7 коннектора P1. ● По умолчанию GPIO4 инициализируется как вход, но остается в состоянии лог. 1, потому что подтягивается вверх (pull-up) внутренним резистором. Точное значение этого pull-up резистора неизвестно, его номинал скорее всего лежит в диапазоне 40 .. 100 кОм [10]. Эта верхняя подтяжка почти не влияет на схему при включении, поскольку внутренний pull-up эффективно работает параллельно с резистором 100 кОм схемы. Итак, как только схема включилась в ответ на короткое нажатие кнопки, вход на ножке GPIO4 получает внутреннюю подтяжку к высокому уровню со стороны Raspberry Pi. По сути вход GPIO4 в этом случае работает как очень слабый выходной сигнал с лог. 1, помогающий подтягивать к открывающему уровню напряжение на затворе нижнего транзистора N-MOSFET, этот уровень удерживает схему во включенном состоянии. ● Резистор 100 кОм схемы подтягивает уровень входа чипа Raspberry Pi к 5V, и как правило не следует устанавливать уровень подтягивающего напряжения выше 3.3V, поскольку это будет смещать в прямом направлении диод подложки кристалла чипа, и инжектировать ток на внутреннюю шину питания 3.3V Raspberry Pi. Однако в нашем случае этот инжектированный от 5V ток очень мал, он составит всего лишь (5 - 3.3 -0.5)/100 кОм = 17 мкА, и поэтому никак не повлияет на работу внутренних сигналов Raspberry Pi. Входной контакт порта Raspberry Pi ограничит напряжение, приложенное к затвору нижнего транзистора N-MOSFET на уровне около 3.9V, однако этого все еще более чем достаточно для удержания этого N-MOSFET полностью открытым. ● Резистор 1 кОм защищает ножку Raspberry Pi от чрезмерного тока при нажатии на кнопку в случае, когда произойдет непреднамеренная настройка GPIO4 как выход с лог. 1. ● Когда схема находится в состоянии OFF (выключено), она практически не потребляет сколько-нибудь значимого тока. Единственный, несущественный ток - утечка через обратно смещенный диод и токи утечки через транзисторы MOSFET.
Поведение схемы на рис. 12 и платы Raspberry Pi полностью соответствует описанию, приведенному во врезке "Подробное описание работы схемы на рис. 10".
Ниже приведены некоторые схемы, касающиеся плавного управления включения транзисторов MOSFET. Почему это может быть важным? Быстрая подача питания на некоторые устройства может поставить под угрозу их срок службы и повлиять на их надежность из-за того, что появляются большие токи, заряжающие их входные конденсаторы. В частности, в некоторых устройствах присутствуют на входе питания танталовые конденсаторы большой емкости, предназначенные для фильтрации пульсаций входного напряжения, или для компенсации пульсаций от токов переключения DC-DC преобразователей. Внезапная подача напряжения на эти танталовые конденсаторы может привести к значениям мгновенного тока в сотни или тысячи ампер в течение короткого времени. Этот ток может значительно превысить мощность мгновенного или импульсного тока применяемых танталовых конденсаторов, а иногда даже приводя к их небольшому взрыву! Танталовые конденсаторы с высокой добротностью (малыми потерями) особенно сильно подвержены фейерверкам. Электронный ключ с плавным запуском и ограниченной скоростью нарастания тока решает эту проблему.
Проблема импульса тока нагрузки решается с помощью схемы переключения питания MOSFET, которая ограничивает скорость нарастания своей выходной мощности. Вместо того, чтобы позволить выходному напряжению ключа почти мгновенно скакнуть до полного напряжения питания, скорость роста напряжения ограничивается, и тогда максимальный ток в конденсаторы любого из конденсаторов на нагрузке также будет ограничен. Фактически, ток пропорционален скорости изменения (скорости нарастания) напряжения переключаемой силовой шины, а именно:
I = C dV/dt [Формула 1]
Здесь C соответствует емкости на выходе схемы, и V переключаемому напряжению.
Для реализации мягкого включения схема рис. 6 добавляется простая модификация с диодом, резистором и конденсатором, чтобы ограничить скорость нарастания напряжения на затворе верхнего транзистора P-MOSFET, в результате ограничивается пусковой ток ключа:
Рис. 13. Схема с ограничением пускового тока.
Перемычка Auto-OFF/Auto-ON может быть постоянно установлена в одном из положений, определяющем поведение схемы по умолчанию при первом подключении питания. В положении Auto-OFF при подаче питания схема останется в состоянии "выключено", при котором на выходе напряжения не будет. В положении Auto-ON схема автоматически включится за счет тока зарядки конденсатора 0.1 от входного напряжения питания.
Добавление резистора 100 кОм и конденсатора 0.01 мкФ превращает верхний транзистор P-MOSFET в интегрирующий усилитель, у которого напряжение на выходе плавно нарастает в ответ на скачкообразное изменение на его входе, что и ограничивает пусковой ток для фильтрующих конденсаторов на выходе схемы. Показанные на схеме значения ограничивают скорость нарастания напряжения до значения порядка 2V на миллисекунду. Для выходного конденсатора 1000 мкФ по формуле 1 получается, что ток ограничится до 2A. Когда ключ полностью откроется, больше ограничения тока не будет, и нагрузка получит весь необходимый ток от входного источника питания.
Понять работу схемы рис. 13 поможет следующая эквивалентная схема:
Рис. 14. Эквивалентная схема, моделирующая поведение верхнего P-MOSFET в качестве интегрирующего усилителя.
В показанной выше схеме мягкого старта положение OFF переключателя это положение V+, и на выходе низкий уровень (P-MOSFET закрыт). Включение MOSFET инициируется, когда его затвор переключается на уровень земли. Сначала MOSFET остается выключенным из-за конденсатора обратной связи 0.01 мкФ (Cf), который разряжается через входной резистор 100 кОм. Время закрытого состояния продолжается до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе усилителя (т. е. на затворе P-MOSFET) достигнет порогового уровня открывания VGS. В этот момент P-MOSFET начинает проводить ток, входя в регион условно-линейного (активного) участка выходной характеристики. Напряжение на инвертирующем входе плавно нарастает, и так же плавно нарастает напряжение и на выходе. Скорость нарастания выходного напряжения составит:
dV/dt = VGS/(RgateCf) [Формула 2]
Напряжение продолжит линейно нарастать, пока P-MOSFET не откроется полностью, и выходное напряжение будет почти полностью равным выходному (произойдет насыщение ключа P-MOSFET). Далее напряжение на затворе (относительно земли) будет продолжать падать, пока не достигнет нуля.
Выходной ток на емкостную нагрузку ограничивается:
I = Cload dV/dt = (Cload/Cf)/(VGS/Rgate) [Формула 3]
Зная емкость нагрузки, Вы можете выбрать Rgate и Cf, чтобы ограничить ток на выходе до желаемого значения.
Дополнительный диод в схеме гарантирует, что несмотря на модификацию схемы затвора электронный ключ останется выключенным при первом включении питания, если перемычка поведения по умолчанию сконфигурирована в положение Auto-OFF. В положении Auto-ON перемычка соединяет емкость с землей, что автоматически включит схему при первой подаче питания. Если же перемычка подключит конденсатор к входному напряжению (положение Auto-OFF), то схема при подаче питания останется выключенной. Если Вы решите выбрать поведение схемы на автоматическое включение при подаче питания. то этот диод на затворе не нужен.
Более подробно про защиту MOSFET-транзисторов от импульсных токов см. даташит AN1542 "Active Inrush Current Limiting Using MOSFETs" от компании Motorola.
Можно применять принципы схемы мягкого старта и для многих других сдвоенных транзисторов MOSFET, включая HEXFET, OptiMOS, PowerTrench, SIPMOS, STMOS, STripFET и TrenchFET, от производителей Alpha & Omega Semiconductor Inc, Diodes Inc, Fairchild Semiconductor, Infineon Technologies, International Rectifier, NXP Semiconductors, ON Semiconductor, Renesas Electronics America, Rohm Semiconductor, STMicroelectronics, Toshiba, и Vishay Siliconix.
Например, нормально должны работать любые из следующих комплементарных (N- / P-канальных) сдвоенных MOSFET:
Мне стало интересно попробовать в работе схему на рисунке 6, потому что она реализует самый необходимый функционал - включение коротким нажатием, и выключение длинным нажатием. Кроме того, теоретически есть возможность от нажатия кнопки подать сигнал микроконтроллеру, чтобы он выполнил все необходимые действия перед выключением питания (сохранил текущее состояние настроек и переменных в энергонезависимую память).
Вместо транзисторной сборки IRF7319 я решил применить те транзисторы, что у меня были: STD10PF06 (верхний силовой P-MOSFET) и 2N7000 (нижний N-MOSFET). Схема заработала сразу, как было описано выше, включая функционал перемычки Auto-OFF/Auto-ON, но оказалось, что не все так просто. К сожалению, схема имела тенденцию к случайному, самопроизвольному включению, вероятно из-за токов утечки транзисторов. При маломощной нагрузке напряжение на выходе постеменно нарастало, из-за чего напряжение на затворе нижнего транзистора росло, и схема включалась.
Устранить данный эффект получилось шунтированием затворов транзисторов на исток с помощью резистора 1 МОм. Резистор 75 Ом я поставил на всякий случай, чтобы нижний транзистор не сгорел, если вдруг произойдет пробой верхнего транзистора.
Рис. 15. Модифицированная схема рис. 6, где устранена проблема с непроизвольным включением.
Следующая схема электронного выключателя предназначена для совместной работы с микроконтроллером STM32F429 (какой на самом деле будет микроконтроллер - не критично). Включение происходит аппаратно, от короткого нажатия на кнопку. Выключение происходит также коротким нажатием, но под управлением микроконтроллера. Микроконтроллер получает сигнал, делает все подготовительные операции перед выключением, затем подает сигнал выключения. Если же по какой-то причине микроконтроллер завис, то длинное удержание кнопки произведет принудительное выключение питания. Микроконтроллер питается от отдельного, не управляемого импульсного DC-DC преобразователя, который выдает 3.3V (он подключен к выходу защелки, и на схеме не показан).
[Ссылки]
1. Latch and Toggle Power Circuits site:mosaic-industries.com. 2. Mini Pushbutton Power Switch with Reverse Voltage Protection, LV site:pololu.com. 3. One Button Digital On-Off Switch site:electronics-diy.com. 4. Flip Flop Fans site:pcsilencioso.com. 5. Battery Operated Latching Power Switch site:mosaic-industries.com. 6. Controlled Turn-ON and Shutdown of Microcontroller Products site:mosaic-industries.com. 7. Limiting In-rush Current in MOSFET Power Switches site:mosaic-industries.com. 8. Single Board Computers site:mosaic-industries.com. 9. Raspberry Pi ON/OFF Power Controller site:mosaic-industries.com. 10. Raspberry Pi input and output pin voltage and current capability site:mosaic-industries.com. 11. 220410MOSFET-power-button.zip - архив с даташитами и схемой для симулятора TINA-TI. 12. Raspberry Pi, быстрый старт.
