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分類：技術資料瀏覽：15994發(fā)表時間：2019-10-16 09:52:31
電路基本要求：
用開關管替代原來的機械開關實現主機的電源開閉，并不影響主機外觀與電路性能。
制作方法首先是電子器件輕觸開關選擇：
目前可以作為開關管的器件有：
BJT（雙極型三極管）、MOSFET（場效應管）、Thyristor（晶閘管或者叫做可控硅）、Relay（繼電器）、專用LoadSwitch集成電路、GTO（可關斷晶閘管）、IGBT
以上幾種器件中的一些由于以下原因不適合業(yè)余DIY：
Thyristor（晶閘管或者叫做可控硅）：
開啟后無法關斷，即便撤去控制極電壓
GTO（可關斷晶閘管）：
控制電路比較復雜、關斷時漏電流較大...
Relay（繼電器）：
體積大，控制電路耗電大，開關時有噪音、機械結構壽命短
IGBT：
導通壓降大
專用LoadSwitch集成電路：
綜合性能最好外圍電路最簡，但價格貴、不好采購、封裝形式多為貼片（SON、BGA等封裝形式），業(yè)余條件難以焊接。
以上發(fā)表幾種器件符合業(yè)余DIY條件的有：
BJT（雙極刑三極管）和MOSFET（場效應管）
在這兩種器件中再篩選：
BJT器件由于Vce飽和電壓降較大（大于等于0.2V），不適合低電壓電路（比如3.3V或更低）開關用途，而且大功率三極管基極電流也不小，通常接通幾十到幾百毫安，并不適合邏輯電路直接驅動。
最后剩下的只有Mosfet（場效應管）了。
場效應管的特點是控制極輸入阻抗極大，幾乎不消耗電流，屬于壓控型器件，非常適合輸出能力較弱的CMOS邏輯電路控制。
導通時只有導通電阻，不像BJT那樣是電壓降，選擇較低導通電阻的場效應管可以用于低壓直流電路的開關用途。
場效應管導通條件：
N-MOS：
在G極與S（源）極之間施加大于門極截至電壓的正電壓，D（漏極）和S（源極）即導通。
P-MOS：
在G極與S（源）極之間施加小于門極截至電壓的負電壓，S（源極）和D（漏極）即導通。
場效應管分為N溝道型和P溝道型，組成開關電路還分為高邊開關(High side switch)和低邊開關(low side switch),所以場效應管開關電路有以下4種形式：
那么如何選擇場效應管的品種和電路拓撲形式呢？下面逐條來分析：
形式1：
N溝道場效應管高邊開關：
在這種電路拓撲中，源極電位不固定，相應的符合開或關狀態(tài)的門極電位也不固定，必須額外設計浮動的門極控制電平電路頻率，這不符合DIY的最簡原則，所以不選用。
形式2：
N溝道場效應管低邊開關：
這種形式中控制電路最簡單，由于源極接地，門極電平也就是固定的。
但是此電路并不適合多路供電的設備，原因如下：
多路供電設備（比如PS1，雙電壓供電7.8V和3.5V）供電電路中，GND為公共地，當開關管關斷時，電源地與負載地不通，負載GND為浮動狀態(tài)，就形成了高電壓供電端像低壓供電端反向供電的狀況，此時低壓端對于公共地的電位為Vlow-Vhigh，為負值，這會對電路中的器件造成損害！所以此方案也不可選。
形式3：
P溝道場效應管低邊邊開關：
類似形式1這種形式是效率最低的形式：控制電路復雜化、同尺寸的P溝道場效應管要比N溝道場效應管參數差，種類也少。所以這種形式在任何場合都是不適用的，沒人會在實際電路中使用這種形式。
形式4：
P溝道場效應管高邊開關：
這種形式與N溝道MOSFET低邊開關時的控制電路一樣簡單，是最簡單的方式。
也沒有GND浮空的問題，這是此次改造中最理想的電路。
場效應管的選擇：
一定要選極低導通電阻的場管，而且要求能夠由邏輯電平驅動的（±5V或更低）。
為方便大家選型，我直接給出我用的型號（之前的查閱資料過程還是很累人的）：
7.8V端，可以原則導通電阻相對高一些（便宜一些）的場管，參數如下：
RdsON=最大0.025歐姆（Vgs=-4.5V）
最大漏極電流：-45A（TC=25°C）
導通電阻與VGS曲線：
3.5V端，這就得選擇最高性能的場管了，我選的是英飛凌（Infineon）公司的IPD042P03L3 G，參數如下：
RDSON=最大0.0068歐姆（VGS=-4.5V）
最大漏極電流：-70A（TC=25°C）
導通電阻與VGS曲線：
以上場管封裝都是TO-252。這導通電阻，也不差于直接導線連接了，跟機械開關無甚區(qū)別。我的萬用表就那么短的粗線，短路測量時表筆線上的電阻都將近70豪歐了。
并不止這兩種高性能場管可用，其它公司，比如ST、Fairychild、TI、ON Semei等等廠家都有高性能的Logic Level場效應管銷售，各位選擇空間還是很大的。
電路性能計算:
假定每路輸出電流都為2A，那么開關管導通時的壓降：
U=IXR
7.8V支路：U=2X0.025=0.05V，那么輸出端負載得到的電壓是7.8V-0.05V=7.75V滿足最低需求7.5V的需要。
3.5V支路：U=2X0.0068=0.0136V，那么輸出端負載得到的電壓是3.5V-0.0136V=3.4864V，滿足電路最低需求3.3V的需要。
場管升溫計算：
假定每路輸出電流都為2A，那么開關管導通時溫升：
TO-252封裝的RθJA熱阻值為62°C/W，由于我們焊接場管時，與電路板銅箔接觸面積很小，所以計算時只能取RθJA值（就是完全沒有外界散熱時的管芯對環(huán)境溫度的熱阻）。
溫升=RθJA*Pd
Pd=I^2 X RdsON
TJ（芯片結溫）=RθJA*Pd+TA
環(huán)境溫度TA取40°C
7.8V支路：TJ=62*(2^2*0.025)+40=46.2°C，溫升=6.2°C
3.5V支路：TJ=62*(2^2*0.0068)+40=41.6864°C，溫升=1.6864°C
PS1主機的電源消耗為17W，開關電源拓撲為自激反激式開關電源，其效率為65%-85%，按效率85%計算，兩路直流輸出總功率為14.45W，實際電路耗電絕不可能達到2A的程度，所以上面的計算取的都是比較極端的數值，而且場管的導通電阻都是按照最大值計算，實際上都會低于最大值，真實場合導通壓降和溫升要遠比上述計算結果低。
結論是整個電路無論從性能上和可靠性上都毫無問題。
控制電路的設計：
要實現單一按鍵切換高低不同電平輸出，我們需要用到邏輯器件D類觸發(fā)器來實現：
CMOS技術的CD4013集成電路（相同功能的HEF4013、TC4013等等都可以）。
為什么不用74系列的74HC74？
因為CMOS版本的可以使用高電源電壓（最大輸入電壓18V），輸出電平也高，這對MOFET的導通電阻有正面影響。對于P溝道MOSFET來說，與VCC電壓一致的高電平輸出才可以徹底關斷場效應管（P-MOS用作高邊開關而且在不重新設計控制電路的場合）。
電路圖如下：
由于上電時邏輯電路的電平不確定，所以上面電路中加入了由R1和C1組成的簡單的Reset電路：在系統(tǒng)上電過程中保證輸出電平為確定狀態(tài)。
在按鍵部分加入了由R3和C2組成的防止高速開關的延時保護電路，這樣就能防止輕觸開關失效時產生一次按鍵就導致多次開關狀態(tài)切換的狀況，保證一次按鍵產生一次電平翻轉。
但是此電路不能應付輕觸開關漏電的情況，此時控制失效，只能更換輕觸開關。
此電路上電時的初始狀態(tài)：
輸出端Q=高電平，所以兩只P溝道場效應管皆為關斷狀態(tài)。
但兩只場效應管的門極電壓卻是不同的，當Q=高電平（7.8V）時，7.8V供電支路的場效應管的VGS=7.8V-7.8V=0V，為關斷狀態(tài)；3.5V供電支路的場效應管的VGS=7.8V-3.5V=+4.3V，同樣為關斷狀態(tài)。
當按下開關S1后，D觸發(fā)器的輸出Q翻轉為低電平（0V），此時兩個場效應管的門極電平為0，那么7.8V支路的場管的VGS=0V-7.8V=-7.8V，為導通狀態(tài)；3.5V支路的場管的VGS=0V-3.5V=-3.5V同為導通狀態(tài)。
再次按下S1，輸出再次翻轉，實現電源的關閉。
以上所述電路設計完成，制作電源開關過程需要注意細節(jié)部分的閱讀，改裝后可以測試下開機和關機是否正常，以及輕觸式開關金屬彈片是否彈性正常，能否復位。
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