EDN之前的一篇設計實例文章《Latching power switch uses momentary pushbutton》介紹了一個相對簡單的電路，其中的瞬時按鈕可以像機械閉鎖開關一樣工作。這篇文章得到了大量的讀者反饋。在評論中，有讀者追問是否有可能將電路調整為：（a）交叉耦合電路，其中的兩個開關可以互相「抵消」;（b）「時間延遲」電路，其電路將在預定時間關斷。本文將嘗試實現這些電路。idqednc
交叉耦合閉鎖開關圖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開啟和斷開，而且當一個開關開啟時，另一個會斷開。由於具有相互抵消的特點，這種電路適於汽車指示燈等應用。idqednc
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圖1：交叉耦合開關獨立鎖定但相互抵消。idqednc
這兩個開關電路完全相同並彼此鏡像，即R1a與R1b提供相同的功能，Q1a與Q1b功能完全相同，依此類推。除了額外的交叉耦合元件（C2、D1、D2、R6、R7和Q3）之外，每個開關電路都與《Latching power switch uses momentary pushbutton》中介紹的基本電路大致相同，如該文章中的圖1（a）所示，文章中還包括基本電路如何工作的詳細說明。需要注意的是，根據負載性質的不同，R5是可選的，而且對於電機這類負載，可能需要在OUT（+）端子和負載之間連上一個阻塞二極體。idqednc
為了理解交叉耦合是如何工作的，我們假設SWITCH（a）當前關閉，SWITCH（b）打開，這使得Q1a和Q2a關閉，Q1b和Q2b都導通並通過R3b和R4b相互提供偏置。如果此時按下瞬時按鈕Sw1a，則Q1a和Q2a導通，並且SWITCH（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，並短暫地將Q1b的基極短路至0V。Q1b和Q2b此時都關閉，SWITCH（b）鎖定到關閉狀態。SWITCH（a）現在鎖定在其通電狀態，並保持此狀態直到按下任一按鈕開關。如果此時按下Sw1b，則Q1b和Q2b接通，SWITCH（b）鎖定到打開狀態，Q3b瞬間接通，使Q1a和Q2a關斷。idqednc
流經Q3的短暫電流脈衝的時間長度由C2-R7時間常數決定，這個時間要足夠長以使對端的MOSFET完全關斷。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完全釋放。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的P溝道MOSFET。idqednc
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。idqednc
儘管SWITCH（a）和SWITCH（b）是相同的，但它們並不需要同樣的電源電壓，即+Vs（a）和+Vs（b）不必相等並且可以來自不同的源。但由於圖1中的電路要實現交叉耦合，開關（a）和開關（b）必須共用一個共地迴路（0V）。對於不能共用共地迴路的應用，Q3a和Q3b可以用光電耦合器代替（如圖2所示），它允許每個開關有自己的接地迴路，與另一個開關電隔離。大多數普通光電耦合器應該都可以正常工作，但要注意，光電LED需要比電晶體更高的驅動電壓。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）。idqednc
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圖2：光電耦合器實現了完全隔離的交叉耦合開關。idqednc
某些應用可能需要可以在預設的一段時間之後自動關閉的閉鎖開關。圖3顯示了一種非常簡單的實現定時輸出的方法，其中Q1從單個電晶體改為達林頓管，並在Q2的漏極和R4之間插入電容器C2。和前述電路一樣，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。電路此時鎖定在通電狀態，Q2通過Q1保持導通。idqednc
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圖3：對基本開關電路做小改動以實現預設定時輸出。idqednc
C2此時開始充電，而C2和R4連接處電壓下降，下降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傳輸到達林頓基極的電流也會下降；最終，當達林頓集電極電流變得太小，無法為Q2提供足夠的柵極驅動時，MOSFET關斷。開關此時恢復到未鎖定狀態，C2開始通過D1放電，負載與R5（如果有）並聯。請注意，只需按下按鈕，開關即可在定時「導通」期間的任何時刻解鎖，無需等到輸出超時。idqednc
由於一對達林頓管提供了高電流增益，因此可以採用較大的R4值（大約幾兆歐）來產生較長的時間常數。由15V電源供電的測試電路產生的「導通」時間，範圍從大約9秒（C2=1μF，R4=1MΩ）到超過15分鐘（C2=10μF，R4=10MΩ）。將C2增加到100μF，「導通」時間甚至可以超過兩小時。idqednc
儘管該電路足以滿足那些要求不高的應用，但它仍有幾個可能限制其適用性的缺點。達林頓管的電流增益對於確定電路的時間常數十分重要（該增益可能因器件和溫度的不同產生很大變化）。所以對於那些需要精確控制「導通」時間的應用，該電路並不適合。同樣，電源電壓的變化也會影響「導通」時間。idqednc
此外，達林頓管的集電極電流逐漸減小也將導致MOSFET慢慢關閉。從圖4的波形圖可以看出這種結果，圖中顯示了由15V電源供電、具有500Ω負載、採用FDS6675A MOSFET作為Q2且R4為1MΩ的電路輸出。注意輸出從15V（導通狀態）轉換到0V（關斷狀態）幾乎需要3ms的時間。對於輕負載而言，這麼長的關斷時間也許是可以接受的，但對於開關大電流的MOSFET卻遠非理想。idqednc
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圖4：輕負載時較長的關斷時間也許可以接受。idqednc
圖5對上述電路進行了改進，其中達林頓管由兩個開漏/開集比較器（IC1）取代，R5由潛在分壓器R4-R5取代。R6-R7分壓器產生參考電壓Vref（比較器電源電壓Vcs的恆定分數），為兩個比較器提供穩定的參考電壓。idqednc
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圖5：改進後的電路可提供精確時序、快速開關以及抵抗電源電壓變化的能力。idqednc
第一次按下開關時，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。此時，如果R4/R5=R6/R7，電壓Vx將略大於Vref，使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。idqednc
電路現在鎖定在「導通」狀態，定時電容C4開始通過R8充電，C4的電壓Vc呈指數上升。在Vc剛剛超過Vref時，比較器IC1b跳閘，其輸出電晶體導通，將Vx拉低至0V。IC1a的輸出電晶體此時關斷，而且由於Q2不再有柵極驅動，MOSFET關斷，開關解鎖。C4此時通過D2-R6-R7路徑比較快速地放電。與上述的簡單電路一樣，只需按下開關可隨時解鎖開關。idqednc
阻塞二極體D1提供雙重功能。當Q2關斷時，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，當開關關斷時，它可以防止C2（和C4）通過負載快速放電。這為比較器在Q2關斷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。為比較器供電的是開關輸出而不是電源電壓，這滿足了本文介紹的所有電路的基本要求，即（就像機械開關一樣）「關斷」狀態下的功耗為零。idqednc
圖6顯示了電路的時序公式以及當IC1=TLC393、R4=R6=10kΩ、R5=R7=22kΩ、+Vs=15V時的測試電路的結果。注意Vcs並不在公式中，因此「導通」時間基本上不受電源電壓變化的影響。idqednc
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圖6：圖5所示電路的時序公式和測試結果。idqednc
可以看到，測試結果和理論結果很好地吻合，除了當C4=100μF時產生的「導通」時間比計算得出的時間長很多。這很可能是由於測試所採用的電解電容器內部產生了洩漏（非電解類型用於1μF和10μF測試）。若採用合適的組件，是可以實現超過一小時的「導通」時間的。idqednc
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），這會影響可用的比較器類型。TLC393雙微功率比較器因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，並可在高達30V的電源電壓下使用，但由於其電源電流大於TLC393，輸入偏置電流也相對較大（通常為-25nA），這會影響C4的充電速率。選擇R4-R7的數值時，要確保Vx和Vref不超過比較器的高共模電壓限值（對TLC393和LM393來說，大約比Vcs低1.5V）。idqednc
除了為定時輸出提供相當精確的控制以外，改進型電路從「導通」狀態轉換到「關斷」狀態的速度比圖3所示的簡單電路也要快得多。圖7所示的波形圖顯示了測試電路的輸出，該電路由15V電壓供電，並採用與上述簡單電路相同的500Ω負載和FDS6675A MOSFET。與圖4中稍顯遲滯的響應相比，從完全「導通」到完全「關斷」的開關時間大大縮短，只有大約100μs。idqednc
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圖7：電路的改進極大地提高了從「導通」到「關斷」的轉換速度。idqednc
上述電路對使用的雙極型電晶體和二極體並沒有特殊要求，只要提供最大電源電壓，大多數具有良好電流增益的NPN雙極型電晶體都是適用的。在最大漏源電壓、電流處理和功耗方面，P溝道MOSFET的額定值必須與高端驅動電路中的任何器件相當。需要注意的是，某些類型MOSFET的最大柵源電壓限值遠低於漏源電壓額定值。例如，IRFR9310的最大漏源電壓額定值為-400V，而柵源電壓被限制在±20V。如果應用需要非常大的電源電壓，則可能需要在MOSFET的柵極和源極之間連接一個保護齊納二極體，以便將柵極電壓鉗位到安全水平。idqednc
儘管所有電路中都使用了按鈕開關，實際上按鈕開關是可以用磁簧繼電器（提供磁激活開關）或其它類型的瞬時觸點來代替的。唯一的要求是觸點必須相對於電源軌電「浮動」。idqednc
最後，請記住圖5中的IC1必須是開漏或開集類型。此外，要注意大阻抗和敏感節點使電路易受噪聲影響，可能導致錯誤觸發和某些不可預測的行為，因此要避免「雜亂」的結構，並在必要時使電路免受EMI和RFI的影響。idqednc
（原文刊登於ASPENCORE旗下EDN英文網站，參考連結： A new and improved latching power switch。）idqednc
本文為《電子技術設計》2019年7月刊雜誌文章。idqednc