今天，我們來聊聊怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠的負(fù)載開關(guān)電路。從需求分析到原理實(shí)現(xiàn)，再到設(shè)計(jì)驗(yàn)證，stepbystep。
采用MCU來控制一個(gè)外部功率開關(guān)是一個(gè)非常常見的需求。比如MCU（以兆易創(chuàng)新GD32E231為例）用ADC檢測(cè)電源輸出電壓，當(dāng)出現(xiàn)異常情況的時(shí)候，需要快速切斷輸出進(jìn)行保護(hù)。
這個(gè)需求很簡單，一般是這樣實(shí)現(xiàn)的——
（圖1）
如圖所示，Control電平控制Q1三極管的導(dǎo)通，繼而控制Q2的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)VCC輸出到OUT。
這往往是最后一道防線，如果MCU死機(jī)或跑飛，導(dǎo)致控制失效，那么可能會(huì)造成后端燒毀的嚴(yán)重后果。有沒有辦法在MCU死機(jī)或者是跑飛的情況下，電路能實(shí)現(xiàn)高可靠性的自動(dòng)的保護(hù)呢？
我們考慮，當(dāng)MCU死機(jī)或跑飛的時(shí)候，電平是固定的。也正因此才會(huì)造成失控的情況。所以我們是否可以采用電平不固定的形式來作為MCU正常工作的標(biāo)記呢？就跟有些LED指示燈一樣，閃爍的時(shí)候代表正常。
也就是說，當(dāng)上圖的Control信號(hào)是方波的時(shí)候，代表正常，Q2導(dǎo)通。當(dāng)Control為固定電平的時(shí)候，代表異常，Q2不導(dǎo)通。這樣就能實(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)了。
如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)電路呢？
Q1、Q2的導(dǎo)通截至，還是需要固定電平來進(jìn)行控制的。如果把（圖1）的Control直接改成方波，那OUT輸出也會(huì)變成方波。
（圖2）
以圖2為例，需要將Control連接的A點(diǎn)輸入方波，在B點(diǎn)變成高電平,把高電平和低電平輸入變成低電平。
首先，我們要解決A點(diǎn)輸入高電平或低電平的時(shí)候，B點(diǎn)為低電平。什么形式的電路能解決這個(gè)問題呢？電容！
于是我們嘗試這樣的電路——
這樣確實(shí)能解決高電平或低電平輸入的時(shí)候，B點(diǎn)輸出為低電平。
但方波輸入的時(shí)候，問題仍然存在。
怎樣在上述基礎(chǔ)上，將方波變成高電平呢？可以利用電容積分電容。利用方波給電容充電，轉(zhuǎn)化成直流電平。于是我們修改為以下電路——
但實(shí)測(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)，這樣并不能解決問題。C2無法實(shí)現(xiàn)充電。原因是因?yàn)殡娏鲿?huì)從C1回流回去。那怎樣解決回流問題呢？單向?qū)ǎ蔷褪嵌O管唄。
實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，加上D2二極管之后，在B點(diǎn)測(cè)量沒有辦法達(dá)到預(yù)期的電壓。這里實(shí)際輸出是負(fù)壓。所以必須提供一個(gè)回流通道。
于是再修改為——
除了增加D1之外，同時(shí)還調(diào)整了R2和R1的順序和阻值，調(diào)整了C2的容值。阻值調(diào)整是為了減少電阻分流，使得電容充電更快。而R2同時(shí)還起到一個(gè)非常重要的作用是當(dāng)A點(diǎn)輸入為直流電平時(shí)，可以通過R2消耗C2上的能量，使得Q2關(guān)閉。
分享上圖電路設(shè)計(jì)的部分元器件如下(點(diǎn)擊查看詳情)：
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元器件 |
商品類目 |
品牌推薦 |
廠家型號(hào)推薦 |
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C1 |
貼片電容 |
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C2 |
CBB電容 |
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R1 |
貼片電阻 |
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D1,D2 |
二極管 |
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Q1 |
三極管 |
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以上，這個(gè)電路就設(shè)計(jì)完成了。我們通過仿真可以看到——
綠色波形是A點(diǎn)輸入波形，藍(lán)色波形是Out輸出波形。可以看到，上面的電路很好實(shí)現(xiàn)了需求。
