轻触按钮开关实现电源开关机原理

电路基本要求：

用开关管替代原来的机械开关实现主机的电源开闭，并不影响主机外观与电路性能。

制作方法首先是电子器件 选择：

目前可以作为开关管的器件有：

BJT（双极型三极管）、MOSFET（场效应管）、Thyristor（晶闸管或者叫做可控硅）、Relay（继电器）、专用LoadSwitch集成电路、GTO（可关断晶闸管）、IGBT

以上几种器件中的一些由于以下原因不适合业余DIY：

Thyristor（晶闸管或者叫做可控硅）：

开启后无法关断，即便撤去控制极电压

GTO（可关断晶闸管）：

控制电路比较复杂、关断时漏电流较大...

Relay（继电器）：

体积大，控制电路耗电大，开关时有噪音、机械结构寿命短

IGBT：

导通压降大

专用LoadSwitch集成电路：

综合性能最好外围电路最简，但价格贵、不好采购、封装形式多为贴片（SON、BGA等封装形式），业余条件难以焊接。

以上发表几种器件符合业余DIY条件的有：

BJT（双极刑三极管）和MOSFET（场效应管）

在这两种器件中再筛选：

BJT器件由于Vce饱和电压降较大（大于等于0.2V），不适合低电压电路（比如3.3V或更低）开关用途，而且大功率三极管基极电流也不小，通常接通几十到几百毫安，并不适合逻辑电路直接驱动。

最后剩下的只有Mosfet（场效应管）了。

场效应管的特点是控制极输入阻抗极大，几乎不消耗电流，属于压控型器件，非常适合输出能力较弱的CMOS逻辑电路控制。

导通时只有导通电阻，不像BJT那样是电压降，选择较低导通电阻的场效应管可以用于低压直流电路的开关用途。

场效应管导通条件：

N-MOS：

在G极与S（源）极之间施加大于门极截至电压的正电压，D（漏极）和S（源极）即导通。

P-MOS：

在G极与S（源）极之间施加小于门极截至电压的负电压，S（源极）和D（漏极）即导通。

场效应管分为N沟道型和P沟道型，组成开关电路还分为高边开关(High side switch)和低边开关(low side switch),所以场效应管开关电路有以下4种形式：

那么如何选择场效应管的品种和电路拓扑形式呢？下面逐条来分析：

形式1：

N沟道场效应管高边开关：

在这种电路拓扑中，源极电位不固定，相应的符合开或关状态的门极电位也不固定，必须额外设计浮动的门极控制电平电路频率，这不符合DIY的最简原则，所以不选用。

形式2：

N沟道场效应管低边开关：

这种形式中控制电路最简单，由于源极接地，门极电平也就是固定的。

但是此电路并不适合多路供电的设备，原因如下：

多路供电设备（比如PS1，双电压供电7.8V和3.5V）供电电路中，GND为公共地，当开关管关断时，电源地与负载地不通，负载GND为浮动状态，就形成了高电压供电端像低压供电端反向供电的状况，此时低压端对于公共地的电位为Vlow-Vhigh，为负值，这会对电路中的器件造成损害！所以此方案也不可选。

形式3：

P沟道场效应管低边边开关：

类似形式1这种形式是效率最低的形式：控制电路复杂化、同尺寸的P沟道场效应管要比N沟道场效应管参数差，种类也少。所以这种形式在任何场合都是不适用的，没人会在实际电路中使用这种形式。

形式4：

P沟道场效应管高边开关：

这种形式与N沟道MOSFET低边开关时的控制电路一样简单，是最简单的方式。

也没有GND浮空的问题，这是此次改造中最理想的电路。

场效应管的选择：

一定要选极低导通电阻的场管，而且要求能够由逻辑电平驱动的（±5V或更低）。

为方便大家选型，我直接给出我用的型号（之前的查阅资料过程还是很累人的）：

7.8V端，可以原则导通电阻相对高一些（便宜一些）的场管，参数如下：

RdsON=最大0.025欧姆（Vgs=-4.5V）

最大漏极电流：-45A（TC=25°C）

导通电阻与VGS曲线：

3.5V端，这就得选择最高性能的场管了，我选的是英飞凌（Infineon）公司的IPD042P03L3 G，参数如下：

RDSON=最大0.0068欧姆（VGS=-4.5V）

最大漏极电流：-70A（TC=25°C）

导通电阻与VGS曲线：

以上场管封装都是TO-252。这导通电阻，也不差于直接导线连接了，跟机械开关无甚区别。我的万用表就那么短的粗线，短路测量时表笔线上的电阻都将近70豪欧了。

并不止这两种高性能场管可用，其它公司，比如ST、Fairychild、TI、ON Semei等等厂家都有高性能的Logic Level场效应管销售，各位选择空间还是很大的。

电路性能计算:

假定每路输出电流都为2A，那么开关管导通时的压降：

U=IXR

7.8V支路：U=2X0.025=0.05V，那么输出端负载得到的电压是7.8V-0.05V=7.75V满足最低需求7.5V的需要。

3.5V支路：U=2X0.0068=0.0136V，那么输出端负载得到的电压是3.5V-0.0136V=3.4864V，满足电路最低需求3.3V的需要。

场管升温计算：

假定每路输出电流都为2A，那么开关管导通时温升：

TO-252封装的RθJA热阻值为62°C/W，由于我们焊接场管时，与电路板铜箔接触面积很小，所以计算时只能取RθJA值（就是完全没有外界散热时的管芯对环境温度的热阻）。

温升=RθJA*Pd

Pd=I^2 X RdsON

TJ（芯片结温）=RθJA*Pd+TA

环境温度TA取40°C

7.8V支路：TJ=62*(2^2*0.025)+40=46.2°C，温升=6.2°C

3.5V支路：TJ=62*(2^2*0.0068)+40=41.6864°C，温升=1.6864°C

PS1主机的电源消耗为17W，开关电源拓扑为自激反激式开关电源，其效率为65%-85%，按效率85%计算，两路直流输出总功率为14.45W，实际电路耗电绝不可能达到2A的程度，所以上面的计算取的都是比较极端的数值，而且场管的导通电阻都是按照最大值计算，实际上都会低于最大值，真实场合导通压降和温升要远比上述计算结果低。

结论是整个电路无论从性能上和可靠性上都毫无问题。

控制电路的设计：

要实现单一按键切换高低不同电平输出，我们需要用到逻辑器件D类触发器来实现：

CMOS技术的CD4013集成电路（相同功能的HEF4013、TC4013等等都可以）。

为什么不用74系列的74HC74？

因为CMOS版本的可以使用高电源电压（最大输入电压18V），输出电平也高，这对MOFET的导通电阻有正面影响。对于P沟道MOSFET来说，与VCC电压一致的高电平输出才可以彻底关断场效应管（P-MOS用作高边开关而且在不重新设计控制电路的场合）。

电路图如下：

由于上电时逻辑电路的电平不确定，所以上面电路中加入了由R1和C1组成的简单的Reset电路：在系统上电过程中保证输出电平为确定状态。

在按键部分加入了由R3和C2组成的防止高速开关的延时保护电路，这样就能防止 失效时产生一次按键就导致多次开关状态切换的状况，保证一次按键产生一次电平翻转。

但是此电路不能应付 漏电的情况，此时控制失效，只能更换 。

此电路上电时的初始状态：

输出端Q=高电平，所以两只P沟道场效应管皆为关断状态。

但两只场效应管的门极电压却是不同的，当Q=高电平（7.8V）时，7.8V供电支路的场效应管的VGS=7.8V-7.8V=0V，为关断状态；3.5V供电支路的场效应管的VGS=7.8V-3.5V=+4.3V，同样为关断状态。

当按下开关S1后，D触发器的输出Q翻转为低电平（0V），此时两个场效应管的门极电平为0，那么7.8V支路的场管的VGS=0V-7.8V=-7.8V，为导通状态；3.5V支路的场管的VGS=0V-3.5V=-3.5V同为导通状态。

再次按下S1，输出再次翻转，实现电源的关闭。

以上所述电路设计完成，制作电源开关过程需要注意细节部分的阅读，改装后可以测试下开机和关机是否正常，以及轻触式开关金属弹片是否弹性正常，能否复位。