一种简易的自动开／关机电路设计(CD4013)

摘   要：本文介绍了一种结构简单、使用方便可靠的开/关机电路。电路使用一个D触发器，配合软件上的处理实现单键开/关机、关机前重要数据自动保存及自动关机功能。
关键词： 自动关机电路；微处理器；CD4013

引言
    节电是各种电池供电设备所需考虑的首要因素。为防止用户忘记关机，一些设备采用了自动关机电路。此外，许多设备中使用一个开/关按键控制开启或关断电源，即使微处理器(MPU)正在处理关键程序，按键按下时，系统也会关断，造成重要数据的丢失。本文仅使用一个D触发器设计了一种结构简单，使用方便可靠的开/关机电路。

电路设计
    实际设计的自动开/关机电路如图1所示。其中U1A为双D触发器CD4013，外接电池电源由Vin输入。Q输出通过阻值为472W的R5、103W的R4和NPN型三极管Q2反向驱动后，与开关电源芯片的开关引脚相连。以MAX1626为例，当SHDN为高时关闭电源，SHDN为低时打开系统电源。
    复位式按键S1为系统电源开/关键。C1和R2组成RC网络，使得在S1按下后，保证R有12×104×10-3=120ms的延迟时间处于高电平。CD4013的D、CLK端接输入电源地，保证其处于低电平。置位引脚R一端通过103W的电阻接电源地，另一端通过三极管Q3与MPU的I/O口相连。S1的右端与阻值为103W的R1相连，控制Q1开通。Q1的集电极与地之间接通稳压管，稳压管的输出与MPU的I/O口相连。

图1  自动开/关机电路原理图

设计原理
    开/关机电路的器件是一个D型触发器，型号为CD4013。其真值表如表1所示。观察其真值表可已看出，无论CLK为何种状态，S为0时，输出Q为0；R为0时，输出Q为1；而当R、S均为1时，输出Q为1；当R和S均为0时，只要CLK不产生上升沿脉冲，输出Q会保持前一输出状态。本电路正是利用R、S均为零时的状态保持特性来实现开/关机功能的。
    由于本电路处于开/关电源前端，在电池接入状态下，无论系统电源是否打开，都处于工作状态。CD4013的输入电压范围为3~15V，因此本电路可以保证在宽电压输入范围内稳定工作。

系统开机原理
    当按下开机按钮S1时，S与高电平接通，S=1。查阅真值表可得，当R=1，S=1时，输出Q应稳定输出1，经过三极管反向后，电源控制引脚SHDN为低电平，打开系统电源。通常MPU进行初始化时会将I/O引脚置为高电平，由于RC网络的延迟作用，S1按下后可以保证S端约有120ms处于高电平(保证开机稳定条件：RC网络的延迟时间＞系统上电复位并将POWER_CTL状态稳定为1的时间)。经过三极管Q3反向，此时S=1，R=0，Q端输出1，系统电源处于打开状态。
    MPU延迟后读取STATE引脚的状态。如果此时STATE为低电平，则确认Q1导通，S1曾按下，确认用户开机程序正常运行。如果此时STATE为高电平，则表明Q1截止，开机信号为误动作，程序执行关机程序。
    当RC网络的延迟时间过后，S端由1转为0，此时S=0，R=0，查阅真值表得出此时输出Q应该维持前一输出状态，即保持系统开通电源状态。

系统关机原理
    作为节电产品，如果在规定时间内系统没有工作，系统会自动转入关机程序，在保存重要数据后，自动关闭系统。
    当用户手动关机，按下S1时，Q1打开，STATE的状态由高电平转变为低电平，MPU检测到STATE的状态变化后，经过延时再次检测STATE状态，如仍为低电平，则确认为关机指令，程序将保存重要数据，关闭所有中断，然后将I/O引脚POWER_CTL置为低电平，程序进入循环等待关机状态。此时，I/O口状态经过Q3反相后使触发器R=1，S=0，查阅真值表可得Q端应该稳定输出0，经过三极管Q2反向驱动后，电源控制引脚SHDN为高电平，关闭系统电源。
    电源芯片关闭后，随着电容放电，MPU的供电电压不断下降，引脚POWER_CTL变为不定状态，但查阅真值表，无论此时R端电位高或低，输出Q都为低电平，稳定的使系统处于关机状态。
    随着电容继续放电，I/O引脚POWER_CTL稳定为低电平，此时触发器引脚R=1，S=0，稳定维持输出Q为低电平，保证系统电源的稳定关断。

设计的改进
    实际使用中发现，当更换供电电源时，触发器初始上电，D、CLK和R端下拉至地，保持稳定状态为0。而由于电容C1的充电作用，有可能使S=1，查阅真值表，当S=1，R=1时，输出Q为高电平，致使Q2导通，SHDN为高电平，打开系统。
    为了解决更换电源时系统有可能自动开机问题，在系统上电程序开始执行并延迟500ms后重新读取STATE状态。初始阶段，Q1导通，STATE状态为低电平。而随着RC网络的延迟时间过后，S端电位由高电平变为低电平，Q1由导通变为截止，STATE状态由低电平重新转换为高电平。MPU延时后读取的STATE如果为高电平，则认为是误开机，程序执行关机程序，重新关闭系统电源。如果STATE仍为低电平，则确认是开机指令，程序正常执行。因此要求用户在开机时，按下S1并保持500ms以上。
MPU开机初始化程序流程如图2所示。

图2  MPU开机初始化程序流程图

结语
     本电路相对其它电路结构简单，使用器件较少。配合软件处理，能够实现自动开/关机功能，对一般应用来说是较好的选择。