在2014年第21期的《電子報》上，我編譯了一篇「使用瞬時按鈕的閂鎖電源開關電路」的文章。該文的設計實例電路概述了一個相對簡單的電路，其中可以使瞬時按鈕像鎖定機械開關一樣起作用。這篇文章產生了大量的讀者反饋。在其他評論中，讀者質疑是否有可能調整電路以提供（a）交叉耦合布置，其中兩個開關可以互相「抵消」; （b）「時間延遲」版本，其中電路將在預定時間過後關閉。本文將試圖解決這些建議中的每一個。
交叉耦合鎖定開關
圖1顯示了以交叉耦合方式連接的兩個開關電路，其中每個開關通過其自身的瞬時按鈕接通和斷開，並且每當一個開關接通時，另一個開關會斷開。這種相互抵消行為適用於汽車指示燈等應用。
圖1 交叉耦合開關獨立鎖定但相互抵消。
兩個開關電路是相同的並且彼此鏡像，即R1a提供與R1b相同的功能，Q1a的功能與Q1b完全相同，依此類推。此外，除了附加的交叉耦合組件（C2，D1，D2，R6，R7和Q3）之外，每個電路與前一個設計實例的圖1（a）所示的電路大致相同，您可以在其中找到基本電路如何工作的詳細說明。請記住，R5可能需要也可能不需要，具體取決於負載的性質，對於電機等負載，可能需要在OUT（+）端子和負載之間安裝一個阻塞二極體。
為了理解交叉耦合如何工作，假設開關（a）當前關閉，開關（b）打開，使Q1a和Q2a關閉，Q1b和Q2b都導通並通過R3b和R4b相互提供偏置。如果現在按下瞬時按鈕Sw1a，則Q1a和Q2a接通，並且開關（a）鎖定到其通電狀態。在Q2a導通的瞬間，電流脈衝通過D1a，C2a和R7a傳遞到Q3a的基極，導致Q3a瞬間導通，短暫地將Q1b的基極短路至0V。 Q1b和Q2b現在都關閉，開關（b）鎖定到關閉狀態。開關（a）現在鎖定在其通電狀態，開關將保持此狀態，直到按下任一按鈕開關。因此，如果現在按下Sw1b，Q1b和Q2b接通，開關（b）鎖定到其通電狀態，Q3b瞬間接通，導致Q1a和Q2a關斷。
流經Q3的短暫脈衝的時間長度由C2-R7時間常數決定，並且必須足夠長，以使相對的MOSFET完全關斷。請記住，當Q1關斷時，存儲在Q2柵極上的電荷必須通過與R3串聯的R1完全消除。一些大電流MOSFET的柵極電容為幾十納法，因此當R1= R3 =10kΩ時，柵極可能需要幾毫秒才能完全放電。現在，當C2 = 100nF且R7 =10kΩ時，Q3將Q1的基極鉗位約5ms，這個時間應足夠長以關閉大多數P溝道MOSFET。
在上述電流脈衝結束時，C2上的電壓將大致等於電源電壓+VS。如果沒有二極體D1，該電壓將保持Q1導通，從而防止開關關斷。有了D1，阻斷動作將允許開關正常關斷，這樣當Q2關斷時，C2上的電壓將通過R6-D2-R7這個路徑放電。
雖然開關（a）和開關（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）不需要相等並且可以從不同的源獲得。但是，對於圖1中的電路實現交叉耦合，開關（a）和開關（b）必須共用一個共地迴路（0V）。對於有此問題的應用，Q3a和Q3b可以用光耦合器代替（圖2），它允許每個開關有自己的接地迴路，與另一個開關電流隔離。大多數普通光電耦合器應該可以很好地工作，但請記住，光電LED需要比電晶體更多的驅動電壓，因此如果電源電壓+ Vs比較低時，可能需要降低R7的值（並相應地增加C2的值）。
圖2 光電耦合器允許完全隔離的交叉耦合開關。
具有定時輸出的閉鎖開關
某些應用可能需要一個鎖定開關，該鎖定開關在預設的一段時間後自動關閉。實現定時輸出的一種相當簡單的方法如圖3所示，其中Q1已從單個電晶體變為達林頓對，電容器C2已插入Q2的漏極和R4之間。和以前一樣，瞬時按鈕Sw1用於控制電路。當開關閉合時，Q2導通，並通過C2和R4向達林頓基極提供偏置電流。電路現在鎖定在通電狀態，Q2通過Q1保持導通。
圖3 基本開關電路的微小變化允許預設定時輸出。
C2現在開始充電，C2和R4連接處的電壓下降的速率很大程度上取決於C2-R4時間常數。當電壓下降時，通過R4輸送到達林頓的基極電流也會下降;最終，達林頓的集電極電流變得太小，無法為Q2提供足夠的柵極驅動，MOSFET關斷。開關現在恢復到未鎖定狀態，C2通過D1放電，負載與R5並聯（如果安裝）。請注意，只需按下按鈕，開關即可在定時「開啟」期間的任何時刻解鎖，無需等到輸出超時。
達林頓對提供的高電流增益允許使用大的R4值（大約幾兆歐）來產生長時間常數。由15V電源供電的測試電路產生的「開啟」時間，範圍從大約9秒（C2 =1μF，R4 =1MΩ）到超過15分鐘（）0C2 =10μF，R4 =10MΩ）。將C2增加到100μF，導致「開啟」時間超過兩小時。
雖然適用於要求不高的應用，但該電路存在幾個缺點，這些缺點可能限制其適用性。達林頓的電流增益（可能因器件和溫度而變化很大）在確定電路的時間常數方面起著重要作用，從而使電路不適合需要精確控制「導通」時間的應用。同樣，電源電壓的變化也會影響「開啟」時間。
此外，達林頓的集電極電流逐漸減小的事實導致MOSFET相對緩慢地關閉。這種效應可以在以下波形圖中看到（圖4）。該波形圖顯示了由15V電源供電，具有500Ω負載，使用FDS6675A MOSFET作為Q2且R4為1MΩ的電路輸出。注意輸出從15V（'on'狀態）轉換到0V（'off'狀態）幾乎需要3毫秒。對於輕負載而言，這種悠閒的關斷可能是可以接受的，但對於切換大電流的MOSFET來說，這並不是理想的行為。
圖4 輕載時可以接受悠閒的關閉。
該電路的改進版本如圖5所示，其中達林頓已被雙開漏/集電極開路比較器（IC1）取代，R5已被潛在的分壓器R4-R5取代。 R6-R7分壓器產生參考電壓Vref（比較器電源電壓的恆定分數Vcs），為兩個比較器提供穩定的參考電壓。
圖5 改進的電路提供精確的時序，快速切換和對電源電壓變化的抗擾度。
當第一次按下按鈕開關時，Q2導通，為負載供電，同時正向偏置D1，為比較器提供電源電壓Vcs。現在，如果R4 / R5 = R6 / R7，電壓Vx將略大於Vref，導致IC1a的輸出電晶體導通。其輸出變為低電平（接近0V），從而通過R3為Q2提供柵極偏置。
電路現在鎖定在「導通」狀態，定時電容C4開始通過R8充電，C4上的電壓Vc呈指數上升。在Vc剛剛超過Vref的點處，比較器IC1b跳閘並且其輸出電晶體導通，將Vx拉低至0V。 IC1a的輸出電晶體現在關閉，由於Q2不再有柵極驅動，MOSFET關斷，開關解鎖。 C4現在通過D2-R6-R7路徑相對快速地放電。與上述簡單的電路一樣，只需按下按鈕即可隨時解鎖開關。
阻塞二極體D1提供雙重功能。當Q2關閉時，它將R2與存儲在C2上的電荷隔離，從而確保開關正確解鎖。此外，當開關關閉時，它可以防止C2（和C4）通過負載快速放電。這為比較器在Q2關閉時保持供電提供了短暫的時間，從而確保電路以有序的方式關閉。從開關輸出而不是從電源電壓為比較器供電滿足了本文所有電路的基本要求，即（就像機械開關一樣）「關閉」狀態下的功耗為零。
圖6顯示了電路的時序公式以及IC1 = TLC393，R4 = R6 =10kΩ，R5 = R7 =22kΩ，+ Vs = 15V的測試電路的結果。請注意，Vcs不在等式中，因此「開啟」時間在很大程度上不受電源電壓變化的影響。
圖6.圖5中電路的時序公式和測試結果。
可以看到，測試結果和理論結果很好地吻合，除了C4 =100μF的情況，其產生的「開啟」時間比計算時間長得多。這很可能是由於用於該測試的電解電容器內部洩漏（非電解類型用於1μF和10μF測試）。使用合適的組件，可以實現超過一小時的「開啟」時間。
忽略D1上的壓降，比較器電源電壓與直流電源電壓（Vcs≈+ Vs）大致相同，這會影響可以使用的比較器類型。 TLC393雙微功耗比較器因其極小的功率要求和極低的輸入偏置電流（通常為5pA）而成為理想選擇，儘管它們僅限於16V左右的電源電壓。 LM393具有相同的功能，可在高達30V的電源電壓下使用。但是，電源電流大於TLC393，輸入偏置電流相對較大（通常為-25nA），這會影響C4的充電速率。選擇R4-R7的值時，請確保Vx和Vref不超過比較器的高共模電壓限值（對於TLC393和LM393，大約低於Vcs 1.5V）。
除了對定時輸出提供相當精確的控制外，電路從「接通」狀態轉換到「斷開」狀態的速度比圖3中的簡單電路快得多。圖7所示的波形圖顯示了測試電路的輸出由15V供電，並採用與上述簡單電路相同的500Ω負載和FDS6675A MOSFET。 與圖4中稍微緩慢的響應相比，從完全「開啟」到完全「關閉」的開關時間大大縮短，只有大約100μs。
圖7 電路的修改產生了從「開」到「關」的更快速轉換。
選擇組件
對前面電路中使用的雙極電晶體和二極體沒有特殊要求。只要提供最大電源電壓，那麼大多數具有良好電流增益的NPN雙極電晶體都是合適的。在最大漏極 - 源極電壓，電流處理和功耗方面，P溝道MOSFET的額定值必須與高端驅動器電路中使用的任何器件相同。但請注意，某些類型的MOSFET的最大柵源電壓限制遠低於漏源電壓額定值。例如，像IRFR9310這樣的器件的最大漏源電壓額定值為-400V，而柵源電壓僅限於±20V。如果您的應用需要非常大的電源電壓，可能需要在MOSFET的柵極和源極之間安裝保護齊納二極體，以便將柵極電壓鉗位到安全水平。
雖然在所有電路中都使用了按鈕開關，但是可以用簧片繼電器（提供磁激活開關）或其它類型的瞬時觸點代替。唯一的要求是觸點必須相對於電源軌電氣「浮動」。
最後，請記住圖5中的IC1必須是漏極開路或開路集電極類型。此外，請注意，大阻抗和敏感節點使電路易受噪聲影響，這可能導致錯誤觸發和不可預測的行為，因此避免「雜亂」構造，並在必要時屏蔽電路免受EMI和RFI的影響。
湖北 朱少華 編譯