CN109901689A - 硬件开关电路 - Google Patents

Abstract

一种硬件开关电路，包括开关管、分压电路、按键开关以及充放电单元；开关管的第一端用于与电源连接，开关管的第二端用于与电器工作电路连接，开关管的第三端与分压电路的输出端连接；分压电路的输入端用于与电源连接，分压电路的控制端与开关管的第二端连接；按键开关的第一端与开关管的第三端连接，按键开关的第二端与充放电单元的充放电端连接；充放电单元的接地端接地。本发明实施例中提供的硬件开关电路，有别于传统的软件开关电路，不需要与电器MCU连接，也不需要额外的MCU控制，不占用MCU的IO接口资源，电路结构简单，成本低。

Description

硬件开关电路

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种硬件开关电路。

背景技术

生活中电子产品都需要采用开关控制电子产品的开关机。现有的开关多数是以软件来进行控制的，其开机、关机的过程需要先由MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)运行开关机程序对供电进行控制才能完成开机或者关机动作。这种开关方式需要占用MCU的IO口资源，导致电路结构复杂，硬件成本高。

发明内容

基于此，有必要针对上述软件控制开关需要占用MCU的IO接口资源的技术问题，提出一种硬件开关电路。

本发明实施例提供一种硬件开关电路，包括开关管、分压电路、按键开关以及充放电单元；

开关管的第一端用于与电源连接，开关管的第二端用于与电器工作电路连接，开关管的第三端与分压电路的输出端连接；

分压电路的输入端用于与电源连接，分压电路的控制端与开关管的第二端连接；

按键开关的第一端与开关管的第三端连接，按键开关的第二端与充放电单元的充放电端连接；

充放电单元的接地端接地。

在其中一个实施例中，分压电路包括开关单元、第一电阻以及第二电阻；

第一电阻的第一端用于连接电源，第一电阻的第二端分别连接第二电阻的第一端、开关管的第三端以及按键开关的第一端；

开关单元的第一端连接第二电阻的第二端，开关单元的第二端接地，开关单元的第三端连接开关管的第二端；开关单元用于在开关管的输出控制下导通。

在其中一个实施例中，开关管为P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管的源极用于连接电源，漏极用于连接电器工作电路，栅极分别连接第一电阻的第二端以及开关的第一端。

在其中一个实施例中，开关单元包括NPN型三极管，NPN型三极管的集电极与第二电阻的第二端连接，基极与P沟道增强型场效应管的漏极连接，发射极接地。

在其中一个实施例中，充放电单元包括电容器，电容器的第一端分别与按键开关的第二端以及场效应管的输出端连接，电容器的第二端接地。

在其中一个实施例中，硬件开关电路还包括第三电阻和第四电阻；NPN三极管的基极通过第三电阻与P沟道增强型场效应管的漏极连接，并通过第四电阻接地。

在其中一个实施例中，硬件开关电路还包括第五电阻，电容器的第一端通过第五电阻与场效应管的输出端连接。

在其中一个实施例中，分压电路包括可调电位器和开关单元；

可调电位器的第一固定端用于连接电源，第二固定端连接开关单元的输入端，可调电位器的调节输出端分别与开关管的第三端以及按键开关的第一端连接。

在其中一个实施例中，开关单元包括继电器，继电器的第一触点与第二电阻的第二端连接，继电器的第二触点接地,继电器线圈的第一端与开关管的输出端连接，继电器线圈的第二端接地。

本发明实施例还提供一种用电器，包括上述任一项实施例提供的硬件开关电路。

上述硬件开关电路，开机时，通过按键开关的触发使充放电单元进行充电，从而在短时间内使得开关管的第三端电压瞬间拉低，触发开关管导通，对电器工作电路供电。电路工作时，开关管的第二端作为输出端还对充放电单元进行完整充电，并使分压电路对电源分压并输出至开关管的第三端，从而维持开关管的导通状态，实现开机。关机时，按键开关触发充放电单元向开关管的第三端放电，从而使得开关管第三端的电压在短时间内提高，关断开关管。开关管关断后其第二端作为输出端便停止输出，使得分压电路停止对电源分压而向开关管的控制端输出电源电压，维持开关管关断状态，实现关机。本发明实施例的硬件开关电路不需要与用电器的MCU连接即可实现开关机，有别于传统的软件开关电路，能够节省MCU的IO接口资源，电路结构简单，成本低，而且通用性强，可以适应不同的用电设备开关，不必因占用MCU的IO接口资源而重新评估设计替换方案。

附图说明

图1为本发明一个实施例硬件开关电路的功能模块图；

图2为本发明一个实施例硬件开关电路的电路结构图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种硬件开关电路，包括开关管1、分压电路2、按键开关3以及充放电单元4。

开关管1的第一端用于与电源5连接，开关管1的第二端用于与电器工作电路6连接，开关管1的第三端分别与分压电路2的输出端以及按键开关3的第一端连接。一般地，开关管1的第一端作为输入端，开关管1的第二端作为输出端，开关管1的第三端作为控制端。

分压电路2的输入端用于与电源5连接，，分压电路2的控制端与开关管1的第二端连接。分压电路2用于对电源5电压进行分压，并向开关管1输出不同的分压电压。

按键开关3的第一端分别与分压电路2的输出端以及开关管1的第三端连接，按键开关3的第二端与充放电单元4连接。充放电单元4的接地端接地。

其中，开关管1可以是场效应管，也可以是三极管，只要第三端电压小于第一端电压时导通、且第三端电压等于或大于第一端电压时关断即可，即第一开关管1的导通阈值电压小于零。比如P沟道增强型金属氧化物半导体场效应管，比如PNP三极管等等。分压电路2可以是含有可变电位器的电路；也可以是串联电阻分压电路2；在交流电中，还可以是含有串联电容的电路；还可以其他具有分压功能的集成模块。分压电路2只需能在开关管1导通时对将电源5电压进行不同的分压，并将分压电压向开关管1的第三端输出即可。充放电单元4可以是任意能够进行充放电的电路，比如，充放电单元4可以是电容器，也可以是电容器与其他器件组合而成的充放电电路，还可以是充放电集成模块或者可充电电池，只要能够实现充电和放电即可。按键开关3用于接通电路，是可复位的按键开关3，按下时将所在电路支路导通。

当开机时，按下按键开关3，充放电单元4拉低开关管1第三端电压，开关管1导通，分压电路2接收到开光管1有输出，分压电路2控制开关管1保持导通。关机时，按下按键开关3，充放电单元4拉高开关管1第三端电压，开光管1关断，分压电路2监测到开关管1无输出，分压电路2控制开关管1保持关断。

现对硬件开关电路各状态进行详细说明：初始状态时，硬件开关电路不工作，分压电路2连接电源5，向开关管1的第三端持续输出第一电压，使开关管1处于关断状态。

此时按下按键开关3进行开机，按键开关3导通充放电单元4的充电回路，分压电路2对充放电单元4进行充电，在充放电单元4充电的过程中，开关管1的第三端电压被充放电单元4拉低，达到开关管1的导通阈值电压，即开关管1的第三端电压小于第一端电压，开关管1导通，从而向电器工作电路6供电。由于分压电路2的控制端与开关管1的第二端连接，此时分压电路2的控制端接收到开关管1的输出，则对电源5进行分压，并将分压电压输出至开关管1的第三端，使得开关管1的第三端电压小于第一端的电压，保持开关管1导通，持续向电器工作电路6供电，完成开机。

硬件开关工作时，开关管1持续导通，并且充放电单元4由开关管1的第二端完成充电，由于开关管1不论是选用场效应管还是三极管，其导通压降一般都比较小，因此充放电单元4两端的电压约等于电源5的电压。

此时按下按键开关3进行关机，按键开关3导通充放电单元4与分压电路2的连接，充放电单元4在较短的时间内对外放电，使得开关管1的第三端电压被拉高至接近电源5电压，此时开关管1的第三端电压与第一端电压之间的电压差不能达到导通阈值电压，开关管1关断。由于分压电路2的控制端与开关管1的第二端连接，开关管1停止输出，分压电路2则向开关管1的第三端输出第二电压，使开关管1保持关断，完成关机。

本发明实施例中提供的硬件开关电路，有别于传统的软件开关电路，不需要与电器MCU连接，也不需要额外的MCU控制，不占用MCU的IO接口资源，电路结构简单，成本低。

如图2所示，在其中一个实施例中，分压电路2包括开关单元、第一电阻R1以及第二电阻R2；

其中，第一电阻R1和第二电阻R2用于对电源5进行分压，并将分压电压输出到第一开关管1的控制端，使得开关管1在分压电压控制下导通。其中，第一电阻R1的第一端用于连接电源，第一电阻R1的第二端连接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端连接开关单元的第一端。开关管1的第三端还连接到第一电阻R1的第二端。由于开关管1在第三端电压小于第一端电压并满足导通阈值电压时导通，因此，只需第一电阻R1的阻值大于第二电阻R2的阻值使得分压时满足开光管的导通阈值电压即可。

开关单元可以是场效应管，也可以是三极管，只要向开关单元的第三端输入满足预定值电压时开关单元能够导通即可。开关单元的第一端与第二电阻R2的第一端连接，开关单元的第二端接地，开关单元的第三端与开关管1的第二端连接。一般地，开关单元的第一端作为输入端，开关单元的第二端作为输出端，开关单元的第三端作为控制端。

由于第一电阻R1的第一端连接电源5，第二端连接开关管1的第三端，初始状态下，硬件开关电路不工作，开关管1为关断状态，因而第一电阻R1的第二端向开关管1的第三端输出电源5电压，使得开关管1的第三端电压与开关管1的第一端电压相等，开关管1处于关断状态。此时按下按键开关3，导通第一电阻R1和充放电单元4的回路，电源5通过第一电阻R1向充放电单元4充电，在充放电单元4充电的较短时间内，开关管1的第三端电压被拉低，开关管1导通，从而向电器工作电路6供电。由于开关管1的第二端与开关单元的第三端连接，向开关单元输出电压，因此此时开关单元导通，电流从第一电阻R1流向第二电阻R2，由于第一电阻R1的阻值大于第二电阻R2的阻值，在第一电阻R1和第二电阻R2共同所在的支路中，第一电阻R1和第二电阻R2的分压输出到开关管1的第三端，满足开关管1第三端电压小于第一端电压的导通条件，因而保持开关管1导通状态，持续向电器工作电路6供电，完成开机。硬件开关电路工作时，充放电单元4已由开关管1的第二端完成充电，此时按下按键开关3，充放电单元4通过第二电阻R2放电，在较短时间内，开关管1第三端的电压被拉高至接近开关管1第一端的电压，开关管1关断，停止向电器工作电路6供电。由于开关单元的第三端与开关管1的第二端连接，开关管1停止输出后，开关单元也关断，使得开关管1的第三端电压与电源5电压相等，开关管1保持关断状态，完成关机。

本实施例提供的硬件开关电路，通过第一电阻R1和第二电阻R2对电源5的分压，由按键开关3触发充放电单元4的充放电控制开关管1的导通和关断，开关单元根据开关管1的导通情况保持开关管1的导通状态和关断状态，实现开机和关机。开机和关机过程不需要由MCU等控制芯片的控制，结构简单，不占用MCU接口资源，电路开发也不需要代码编写，节省硬件成本和人力成本。

在其中一个实施例中，开关管1包括P沟道金属氧化物半导体场效应管(P channelMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,P-MOSFET)，且为增强型。P-MOSFET的源极用于与电源5连接，漏极用于与电器工作电路6连接，栅极分别与第一电阻R1的第二端以及按键开关3的第一端连接。P-MOSFET的导通条件为栅极电压小于源极电压。

初始状态按下按键开关3，充放电单元4将P-MOSFET的栅极电压拉低，栅极电压小于源极电压达到导通阈值，P-MOSFET导通，漏极向电器工作电路6供电。分压电路2的第三端与P-MOSFET的漏极连接，根据P-MOSFET的输出向P-MOSFET的栅极提供导通保持电压，保持P-MOSFET的导通状态。再次按下按键开关3，由于充放电单元4已由P-MOSFET的漏极充电，充放电单元4放电，拉高P-MOSFET的栅极电压，使得P-MOSFET关断，P-MOSFET的漏极无输出，此时分压电路2根据P-MOSFET的漏极输出向P-MOSFET的栅极输出关断保持电压，保持P-MOSFET的关断状态，完成关机。可选地，P-MOSFET可以选取开启时间和关断时间都小于充放电单元4的充放电时间的快速P-MOSFET，以保证电路开关的效率和准确性。

在其中一个实施例中，开关单元包括NPN型三极管。NPN型三极管的集电极与第二电阻R2的第二端连接，基极与开关管1的第二端连接，发射极接地。可选地，NPN型三极管的基极通过第三电阻R3与P-MOSFET的漏极连接以及通过第四电阻R4接地，发射极接地。

初始状态按下按键开关3，开关管1导通，开关管1的第二端向NPN三极管的基极输入电压，使得NPN三极管达到导通阈值电压，NPN三极管导通第一电阻R1和第二电阻R2所在的支路，电源5电压经过第一电阻R1和第二电阻R2的分压后向开关管1的第三端提供分压电压，使得开关管1的第三端电压小于第一端电压，从而保持开关管1的导通，即保持电路的开机状态实现开机。此时再快速按下按键开关3，按键开关3触发开关管1关断，开关管1停止向NPN三极管输出电压，NPN三极管关断，此时第一电阻R1和第二电阻R2所在支路断路，电源5通过第一电阻向开关管1的第一端提供电压，从而使开关管1保持关断实现关机。

在其中一个实施例中，充放电单元4包括电容，电容的一端分别与按键开关3的第二端以及开关管1的第二端连接，电容的另一端接地。电容可以选取充电时间较长的电容，以使充放电时间高于开关管1的开启时间和关断时间，保证开关效率和准确性。

在其中一个实施例中，NPN三极管的基极通过第三电阻R3与P-MOSFET的漏极连接，并通过第四电阻R4接地。NPN三极管是电压驱动型开关管，一般很少直接与电源5连接，而是通过两个串联接地的电阻进行分压向NPN三极管的基极提供导通控制电压。本实施例中，通过第三电阻R3和第四电阻R4的适当取值，可以分压控制NPN三极管的导通与关断。

在其中一个实施例中，电容器的一端通过第五电阻R5与P-MOSFET的漏极连接。本实施例中，电容器作为充放电单元4进行充放电，一般地，电容器需要通过电阻实现充放电，降低充放电瞬间的大电流以保护电路。电容器的一端与P-MOSFET的漏极连接，用于在P-MOSFET导通时得到充电，以使在按下按键开关3进行关机时能够拉高P-MOSFET的栅极电压关断P-MOSFET。

如图2所示，在其中一个实施例中，分压电路2包括第一电阻R1和第二电阻R2，以及NPN三极管，第一开关管1为增强型P-MOSFET，充放电单元4为电容器。其中，第一电阻R1的第一端用于连接电源5，第一电阻R1的第二端连接第二电阻R2的第一端。NPN三极管的集电极连接第二电阻R2的第二端，NPN三极管的基极通过第三电阻R3连接P-MOSFET的漏极并通过第四电阻R4接地，NPN三极管的发射极接地。P-MOSFET的源极用于连接电源5，漏极用于连接电器工作电路6，栅极分别连接按键开关3的第一端以及第一电阻R1的第二端。电容器的一端连接按键开关3的第二端并通过第五电阻R5与P-MOSFET的漏极连接。可选地，P-MOSFET可以选取栅源阈值电压V_th1小于等于-2.5V的高速开关管，电容选用1μF的电容，以保证电容器的充放电时间高于P-MOSFET的开启和关断时间。NPN三极管可以选取导通阈值电压V_th2大于等于0.7V的三极管。可选地，电源5电压可以选用电压V_BAT＝5V的直流电源5。在初始状态，尚未按下按键开关3，整个硬件开关电路无电流回路，P-MOFET和NPN三极管处于关断状态，硬件开关电路无输出。按下按键开关3开机，电源5通过第一电阻R1和按键开关3给电容器充电，电容器的电压从零缓慢上升，显然，在电容充电的过程中，P-MOSFET的栅源电压V_gs有较短的一段时间小于栅源阈值电压V_th1，因此P-MOSFET导通，P-MOSFET的漏极向电器工作电路6供电，同时也向NPN三极管的基极提供电压。此时，NPN三极管的基极电压为：

其中V_b为NPN三极管的基极电压，V_d为P-MOSFET的漏极输出电压，R₃为第三电阻R3的电阻值，R₄为第四电阻R4的电阻值。由于NPN三极管的发射极接地，因此NPN三极管的基极电压即为其发射结电压V_be。此时若要NPN三极管导通，需满足发射结电压V_be大于其导通阈值电压V_th2。若NPN导通，则可使得第一电阻R1和第二电阻R2对电源5电压进行分压，得到P-MOSFET的栅极电压为：

其中V_g为P-MOSFET的栅极电压，R₁为第一电阻R1的电阻值，R₂为第二电阻R2的电阻值。若要保持P-MOSFET导通持续对外输出，完成开机，则需要满足栅源电压V_gs小于栅源阈值电压V_th1。即

V_gs＝V_g-V_s＜V_th1 (3)

根据表达式(1)和表达式(2)，对第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4阻值的取值有多种组合，本实施例提供其中一种取值组合，并不代表对本发明的限定。可选地，可以选用第一电阻R1阻值为100KΩ，第二电阻R2阻值为10KΩ，第三电阻R3阻值为10KΩ，第四电阻R4阻值为10KΩ，第五电阻R5阻值为100KΩ。则可得到上述状态中，由表达式(1)得到的NPN三极管基极电压V_b大于导通阈值电压V_th2，由表达式(2)和表达式(3)得到的P-MOSFET的栅源电压V_gs＝-5V，小于栅源阈值电压V_th1。对于第五电阻R5，可以配置第五电阻R5的阻值为100KΩ，利用第五电阻R5，对电容进行充电。

关机时，再次按下按键开关3，因为在按下按键开关3前，电容已经由P-MOSFET的漏极经过第五电阻R5充电，电容两端的电压V_C约等于输入电压V_BAT，因此在按键开关3按下后，电容通过按键开关3、第二电阻R2和NPN三极管对地放电，在放电过程的较短时间内，P-MOSFET的栅极电压因电容放电而得到约为5V的电压，使得P-MOSFET的栅源电压V_gs大于栅源阈值电压V_th1，因此P-MOSFET关断，漏极无电压输出。相应地，NPN三极管的基极无电压输入，NPN三极管关断。此时，P-MOSFET的栅极电压通过第一电阻R1上拉到电源5电压V_BAT，即此时栅源电压V_gs＝0，P-MOSFET保持关断，漏极无电压输出，完成关机。

在其中一个实施例中，分压电路2包括可调电位器和开关单元。分压电路2用于对电源5电压进行分压，以向场效应管的控制端提供保持电压，保持场效应管的导通状态和关断状态。

在其中一个实施例中，开关单元包括继电器，继电器的第一触点与第二电阻R2的第二端连接，继电器的第二触点接地，继电器线圈的第一端与第一开关管1的第二端连接，继电器线圈的第二端接地。

继电器是一种电控制器件，当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有输入回路和输出回路之间的互动关系，是用小电流去控制大电流运作的一种开关。在本实施例中，开关单元可以采用继电器。当然，本实施例只是提供继电器的其中一种接法，继电器线圈的第二端接地可是直接接地，也可以通过第六电阻接地，也可以通过晶体管接地等等。

本发明实施例还提供一种用电设备，包括上述任一项实施例提供的硬件开关电路。其中，用电设备可以是计算机、电视机等任何用电设备。在其中一个实施例中，用电设备可以是LED灯具，利用硬件开关电路控制LED灯具的亮灭。这样，采用本发明实施例硬件开关电路的LED灯具，相较于传统软件开关电路，可以节省MCU接口资源，开关电路结构简单，不必对开关电路重新评估设计替换方案。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种硬件开关电路，其特征在于，包括开关管、分压电路、按键开关以及充放电单元；

所述开关管的第一端用于与电源连接，所述开关管的第二端用于与电器工作电路连接，所述开关管的第三端与所述分压电路的输出端连接；

所述分压电路的输入端用于与所述电源连接，所述分压电路的控制端与所述开关管的第二端连接；

所述按键开关的第一端与所述开关管的第三端连接，所述按键开关的第二端与所述充放电单元的充放电端连接；

所述充放电单元的接地端接地。

2.根据权利要求1所述的硬件开关电路，其特征在于，所述分压电路包括开关单元、第一电阻以及第二电阻；

所述第一电阻的第一端用于连接所述电源，所述第一电阻的第二端分别连接所述第二电阻的第一端以及所述开关管的第三端；

所述开关单元的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述开关单元的第二端接地，所述开关单元的第三端连接所述开关管的第二端；所述开关单元用于在所述开关管的输出控制下导通。

3.根据权利要求2所述的硬件开关电路，其特征在于，所述开关管为P沟道增强型场效应管，P沟道增强型场效应管的源极用于连接所述电源，漏极用于连接电器工作电路，栅极分别连接所述第一电阻的第二端以及所述开关的第一端。

4.根据权利要求3所述的硬件开关电路，其特征在于，所述开关单元包括NPN型三极管，所述NPN型三极管的集电极与所述第二电阻的第二端连接，基极与所述P沟道增强型场效应管的漏极连接，发射极接地。

5.根据权利要求4任一项所述的硬件开关电路，其特征在于，所述充放电单元包括电容器，所述电容器的第一端分别与所述按键开关的第二端以及所述场效应管的输出端连接，所述电容器的第二端接地。

6.根据权利要求4所述的硬件开关电路，其特征在于，还包括第三电阻和第四电阻；所述NPN三极管的基极通过第三电阻与所述P沟道增强型场效应管的漏极连接，并通过第四电阻接地。

7.根据权利要求5所述的硬件开关电路，其特征在于，还包括第五电阻，所述电容器的第一端通过所述第五电阻与所述场效应管的输出端连接。

8.根据权利要求1所述的硬件开关电路，其特征在于，所述分压电路包括可调电位器和开关单元；

所述可调电位器的第一固定端用于连接所述电源，第二固定端连接所述开关单元的输入端，所述可调电位器的调节输出端分别与所述开关管的第三端以及所述按键开关的第一端连接。

9.根据权利要求2所述的硬件开关电路，其特征在于，所述开关单元包括继电器，所述继电器的第一触点与所述第二电阻的第二端连接，所述继电器的第二触点接地,所述继电器线圈的第一端与所述开关管的输出端连接，所述继电器线圈的第二端接地。

10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的硬件开关电路。