让开关反应变快的反跳电路设计

本文转载自： 得捷电子DigiKey微信公众号

问：机械开关和反跳电路中的开关反弹

有时，你可能使用触摸开关或机械开关构建了一个快速响应电路，却不明白为什么该电路不能正常工作。这可能是由于触点回跳（也称为颤动）引起的。

开关触点的工作原理

我们似乎可以直观地认为用于连接的开关是快速、直接且牢固的。但实际情况却略有不同。

图1：开关信号的理想状态

图2：开关信号的实际状态

实际上，导电点之间的开关触点是通过可移动的机械元件来建立或分离的。由于开关触点表面的老化、操作惯性、机械设计和微观条件等因素的影响，一般的开关在打开或关闭连接所需的几十毫秒内会发生多次转换。这种行为通常被称为“开关反弹”，是实际使用中无法避免的。

机械开关有时会在规格书中列出其反弹时间信息，如 Würth Elektronik的WS-TASV系列J-Bend SMT触摸开关4.7x3.5mm所示。

反跳电路的设计

下面我们来分享一个简单的反跳电路，可使用一些常见的分立元件制作低通滤波器，从而消除这种多余的信号。

增加滤波器

简单的RC滤波器是制作低通滤波器最经济、最简单的方法之一。当开关断开时，电容通过R1+R2充电，使电压缓慢上升。当开关闭合时，电容通过R2以可控速率放电。

如果合理、适当地选择滤波器元件，则可在平稳转换的充放电过程中吸收开关反弹。要计算电容和电阻的值，你可以使用以下适用于上述电路的时间常数公式：

τ = (R1 + R2) ⋅ C1

τ：时间常数（以s为单位）

R：电阻值（以Ω为单位）

C：电容值（以F为单位）

时间常数是去开关颤动所需时间和电路响应时间之间的平衡。在一个时间常数内，电压将上升到其最终值的63%或下降到其最终值的37%。在两种情况下，电压会在五个时间常数后达到99%。

例如：
反弹时间：规格指定为10ms
选择R1来限制电流，可以采用1 kΩ的经典值
R2：选择两个标准值来去颤动：10 kΩ和47 kΩ
电源电压为5 VDC

因此，通过计算得出两个电容值：
C1= τ / (R1+R2)

然后得出此电路的两个值范围：
解决方案1：R1 = 1 kΩ，R2 = 10 kΩ，C1 = 1 µF
解决方案2：R1 = 1 kΩ，R2 = 47 kΩ，C1 = 220 nF

添加二极管

在R2的两端分别添加一个D1二极管，可以分别控制充电时间和放电时间。这样一来，使用R1和D1可为电容充电提供更快的转换时间，而仅使用R2则可为电容提供不同的放电时间，因为在这种情况下二极管处于阻塞状态。

添加缓冲器

如果应用不能支持未定义的值（例如0.8V和2.5V），则可能需要使用具有滞后作用的施密特触发器缓冲器。下图显示了具有不同导通和关断时间以及附加滞后的电路。电路的响应时间可能需要与单片机的采样时间相协调。

瞬态保护

如果开关位于较远处或较长线路的末端，可能需要对过电压、ESD或其他瞬态进行保护。这与输入电路前端的铁氧体磁珠和TVS二极管一样简单。

审核编辑 黄宇