电源断电控制电路的工作原理和电路图

中颖电子的很多产品是定位于家电和工控应用，关机电流（@掉电模式）在5~10μA左右，不适合低功耗应用。如果想将这些产品用于更低关机功耗需求的应用，可以用本文介绍的控制电路，实现零关机电流。

电源断电控制电路的工作原理是：用外部启动信号和MCU的GPIO通过MOS开关管控制系统电源的通电和断电。因为系统在关机状态是真实断电、没有功耗，关机电流近乎为零。

常见的外部启动信号包括按键启动、插入启动等，例如：按开机键启动血压计、插入试纸启动血糖仪。根据有效逻辑的不同，启动信号可以分为两种：高有效信号和低有效信号。两种启动信号对应的控制电路有一些区别，下文用按键举例分别进行说明。

1.高有效信号的断电控制电路

高有效信号是指信号的无效状态（按键释放）是低电平或高阻态，有效状态（按键按下）是高电平。高有效信号的电源断电控制电路见下图。

图1. 高有效信号的控制电路，Q2是N-MOS管

图中：

(1)K1是启动键，MCU是系统控制器。

(2)VBAT是外部供电电源，VDD是系统电源，KEY_IN和CTRL_OUT是MCU的GPIO。

(3)Q1是P-MOS管，Q2是N-MOS管。

操作流程：

关机状态下，Q1和Q2都处于截止状态，系统断电。

按下启动键K1后，VBAT经过K1和D1加载到Q2栅极，Q2导通；Q1栅极被下拉到低电平，Q1导通；VBAT给VDD供电，系统上电启动。

MCU上电后，首先将KEY_IN引脚设置为输入状态，用于检测按键状态，并使能此引脚的内部下拉电阻（如果没有内建下拉电阻，则要在KEY_IN引脚上外接下拉电阻）。然后将CTRL_OUT引脚设置为输出高电平，用于锁住Q2导通状态。此时，即使释放了启动键，Q2仍然保持导通状态，系统正常供电。

工作状态下，按下K1键，KEY_IN是高电平；释放K1键，KEY_IN是低电平。

需要关机时，MCU只要设置CTRL_OUT引脚输出低电平（@启动键已经释放），就可以控制Q2和Q1依次进入截止状态，系统断电关机。

图1中的Q2可以替换成价格更低的NPN三极管，功能不变，电路如下。

图2. 高有效信号的控制电路，Q2是NPN管

2. 低有效信号的断电控制电路

低有效信号是指信号的无效状态（按键释放）是高电平或高阻态，有效状态（按键按下）是低电平。低有效信号的电源断电控制电路见下图。

图3. 低有效信号的控制电路，Q2是NMOS管

低有效信号控制电路和高有效信号控制电路相比，主要是增加了一个N-MOS管Q3，用于在开机状态给启动键提供地电位。

操作流程：

关机状态下，Q1、Q2和Q3都处于截止状态，系统断电。

按下启动键K1后，VBAT经过K1和D1加载到Q2栅极，Q2导通；Q1栅极被下拉到低电平，Q1导通；VBAT给VDD供电，系统上电启动。

MCU上电后，首先将KEY_IN引脚设置为输入状态，用于检测按键状态，并使能此引脚的内部上拉电阻。然后将CTRL_OUT引脚设置为输出高电平，用于锁住Q2导通状态；同时将Q3导通，为K1键提供地电位。

工作状态下，按下K1键，KEY_IN是低电平；释放K1键，KEY_IN是高电平。

需要关机时，MCU先关闭KEY_IN引脚的上拉电阻，然后设置CTRL_OUT引脚输出低电平（@启动键已经释放），就可以控制Q3、Q2和Q1依次进入截止状态，系统断电关机。

备注：在启动阶段，K1键仍然是高有效，按下K1键KEY_IN是高电平。MCU启动后，使能KEY_IN上拉电阻，并用CTRL_OUT导通Q3后，K1键才切换为低有效，按下K1键KEY_IN是低电平。

图3中的Q2同样可以用价格更低的NPN三极管替换，功能不变，电路如下。

图4. 低有效信号的控制电路，Q2是NPN管

3. 补充说明

(1)使用电源断电控制电路,只能通过启动信号启动系统,供电电源(VBAT)上电无法启动系统。例如，更换电池后系统不会直接启动，必须再按一次启动键才能启动系统。

(2)工作漏电和电阻值选择

使用电源断电控制电路，会给工作状态额外增加大约几十微安的漏电，包括：
- VBAT通过R1-Q3漏电
- VBAT通过R2-R3-Q2漏电
- KEY_IN/CTRL_OUT通过D1/D2-(R5)-R4的漏电
- CTRL_OUT通过R6漏电

这些漏电的大小与VBAT电压和R1/R2/R4/R6的阻值相关，R1推荐阻值100k~470kΩ，R2/R4/R6推荐阻值470k~1MΩ。下表是SH86F7088+低有效信号控制电路的漏电数据。

表1. SH86F7088+低有效信号控制电路的漏电（@7088在PowerDown模式）

VBAT/VDD	R1	R2/R4/R6	IPD	ILEAK
3.3V	无控制电路		9.2 μA	-
	100kΩ	470kΩ	62.6 μA	53.4 μA
	100kΩ	1MΩ	51.9 μA	42.7 μA
	470kΩ	1MΩ	25.9 μA	16.7 μA

(3)R1阻值选择、D1和Q2选型

在低有效信号的电源断电控制电路中，当启动键K1按下时，VBAT通过R1-K1把KEY_IN拉高，因为MCU引脚内部电路的影响（此时MCU无电），KEY_IN并不能被拉到VBAT电压，R1电阻越大，KEY_IN电压越低。下表是SH86F7088无电条件下外部上拉实测数据。

因此，R1阻值、D1和Q2选型时，必须要保证KEY_IN电压经过二极管D1的压降后仍然高于Q2的栅极阈值电压VGS（或基级-发射级导通电压VBE(on)），才能确保Q2导通。

表2. SH86F7088无电条件下外部上拉测试数据

VBAT	R1	VKEY_IN	VDD（倒灌）
3.3V	0Ω	3.29V	2.47V
	100kΩ	1.50V	0.92V
	470kΩ	1.34V	0.81V
	1MΩ	1.27V	0.76V