CN204009457U - 基于pmu的开关机电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PMU的开关机电路，包括开关电路、PMU和MCU，所述PMU的开关输入引脚连接所述开关电路的输出端，所述PMU的电源引脚连接供电电源输入端，所述PMU的第一电源输出端连接MCU的电源输入引脚，所述PMU的一个GPIO引脚通过第一类上拉电阻连接至所述第一电源输出端，PMU的第一电源保持引脚连接所述GPIO引脚；PMU的数据通信接口连接MCU的数据通信接口。本实用新型的基于PMU的开关机电路利用PMU自带的GPIO口实现开机自锁，保持***电源，从而有效地防止了在MCU低功耗状态下时***电源不能保持的问题发生。将基于PMU的开关机电路应用在电子设备中，满足了电子设备的开关机控制需求。

Description

基于PMU的开关机电路及电子设备

技术领域

本实用新型属于开关机电路技术领域，具体地说，是涉及一种针对PMU设计的开关机电路以及采用所述开关机电路设计的电子设备。

背景技术

产品小型化是目前电子产品的一个发展趋势，体积变小会导致电池的容量相应的缩小，因此低功耗的电子产品将成为市场发展的主流方向。

PMU是一种***电源及充电管理芯片，当***中的电源有两个或两个以上时，通过PMU可以方便地管理各个电源的工作状态，例如，通过MCU和PMU的配合可以把某一个不需要的电源关掉，以节省电源消耗，或者通过PMU把整个***的电源关掉，实现彻底的关机。

请参考图1，现有技术中应用PMU实现开关机电路时，通常使用MCU的GPIO引脚输出控制信号至PMU，实现PMU的电源管理功能，例如MCU的GPIO1连接PMU的第一电源保持引脚HOLD_DCDC1，同时硬件复位电路的输出端连接至MCU的RESET引脚（该引脚也是MCU上一个普通GPIO引脚）。该开关机电路有以下缺点：

1、由于MCU一般有sleep和standby等多种低功耗工作模式，当MCU工作在功耗最低的standby模式时，由于MCU自身的原因，MCU无法再给PMU的 HOLD_DCDC1引脚提供激励，导致***电源无法保持，从而导致电子设备异常关机；

2、随着电子产品的功能越来越多，需要MCU的IO引脚实现更多的功能控制，MCU的IO引脚资源愈发显得珍贵，而现有技术中由于MCU的IO引脚用来控制PMU的引脚，导致MCU的IO资源不能合理利用，限制了电子产品的功能扩展；

3、硬件复位电路的输出端连接至MCU的复位引脚，使得复位时仅有MCU实现复位，其他***电路中的功能芯片均不复位，往往会造成在MCU内部程序出现异常时，MCU复位过程中程序跑飞，***电路中的功能芯片不能正常启动工作。

发明内容

本实用新型提供了一种基于PMU的开关机电路，解决了在MCU低功耗状态时***电源无法保持的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种基于PMU的开关机电路，包括开关电路、PMU和MCU，所述PMU的开关输入引脚连接所述开关电路的输出端，所述PMU的电源引脚连接供电电源输入端，所述PMU的第一电源输出端连接MCU的电源输入引脚，所述PMU的一个GPIO引脚通过第一类上拉电阻连接至所述第一电源输出端，所述PMU的第一电源保持引脚连接所述GPIO引脚，所述PMU的数据通信接口连接MCU的数据通信接口。

进一步的，所述开关电路包括第二电源、开关、第一充电电容、第一充电电阻和第一NPN型三极管；所述第二电源提供的电流通过所述开关、第一充电电容、第一充电电阻传输至地，所述第一NPN型三极管的基极通过第一限流电阻连接所述第一充电电容和第一充电电阻的中间节点，所述第一NPN型三极管的发射极接地，所述第一NPN型三极管的集电极通过第二限流电阻连接所述第二电源，所述第一NPN型三极管的集电极与所述第二限流电阻的中间节点连接所述PMU的开关输入引脚；所述开关与所述第一充电电容的中间节点连接所述MCU的唤醒引脚。

又进一步的，所述基于PMU的开关机电路还包括硬件复位电路，所述硬件复位电路包括输入端、第二充电电阻、第二充电电容、第二NPN型三极管、输出端；所述输入端的一端连接所述开关与所述第一充电电容的中间节点，另一端连接所述第二充电电阻的一端，所述第二充电电阻的另一端通过所述第二充电电容接地；所述第二充电电阻与所述第二充电电容的中间节点连接所述第二NPN型三极管的基极，所述第二NPN型三极管的发射极接地，所述第二NPN型三极管的集电极连接所述输出端的一端，所述输出端的另一端连接所述PMU的第一电源保持引脚。

更进一步的，所述基于PMU的开关机电路还包括时钟电路，所述时钟电路与所述MCU的时钟引脚连接，为所述MCU提供时钟信号；所述第二电源与所述MCU的时钟电路供电引脚连接，为所述时钟电路供电。

优选的，所述PMU的供电电源输入端连接外接电源和/或内置电池。

进一步的，所述基于PMU的开关机电路还包括将所述电池的电压转换成所述第二电源的电压的电源转换电路。

又进一步的，所述电源转换电路为低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的电源输入引脚和电源使能引脚分别与所述电池连接，所述低压差线性稳压器的电源输出引脚输出所述的第二电源。

更进一步的，所述PMU的第一电源输出端与所述PMU的第一电源反馈引脚连接，同时通过电感连接所述PMU的第一电源输出引脚。

优选的，所述PMU的数据通信接口通过I2C总线连接MCU的数据通信接口，且所述I2C总线的时钟控制线和数据传输线均通过第二类上拉电阻连接所述PMU的第一电源输出端。

基于上述的开关机电路的结构设计，本实用新型还提出了一种采用所述基于PMU的开关机电路设计的电子设备，所述电子设备包括开关电路、PMU和MCU，所述PMU的开关输入引脚连接所述开关电路的输出端，所述PMU的电源引脚连接供电电源输入端，所述PMU的第一电源输出端连接MCU的电源输入引脚，所述PMU的一个GPIO引脚通过第一类上拉电阻连接至所述第一电源输出端，所述PMU的第一电源保持引脚连接所述GPIO引脚；所述PMU的数据通信接口连接MCU的数据通信接口。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的基于PMU的开关机电路在实现***开机、关机基础上，改变PMU芯片和MCU芯片引脚的连接关系，利用PMU自带的GPIO口实现开机自锁，保持***电源，从而有效地防止了在MCU低功耗状态下时***电源不能保持的问题，同时由于所述PMU的第一电源保持引脚改接到PMU本身的悬空GPIO引脚上，不再直接连接MCU引脚，从而节省了MCU的引脚资源。而且，本实用新型的基于PMU的开关机电路结构设计简单，硬件成本低。将基于PMU的开关机电路应用在电子设备中，满足了电子设备的开关机控制需求，提高了电子设备的竞争力。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是现有技术中一种基于PMU的开关机电路的结构示意图；

图2是本实用新型所提出的基于PMU的开关机电路的一种实施例的结构示意图；

图3是本实用新型所提出的基于PMU的开关机电路的一种实施例的电路原理图；

图4是图2和图3中所提出的硬件复位电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

实施例一、在本实施例中，所述基于PMU的开关机电路主要由开关电路、PMU（Power Management Unit，电源管理单元）和MCU等构成，参见图2所示，所述PMU的电源引脚连接供电电源输入端，所述开关电路的输出端连接PMU的开关输入引脚PB_IN，所述PMU的第一电源输出端连接MCU的电源输入引脚VDD，所述PMU的GPIO0引脚通过第一类上拉电阻R4连接所述第一电源输出端，所述PMU的第一电源保持引脚HOLD_DCDC1连接所述GPIO引脚，所述PMU的数据通信接口连接MCU的数据通信接口。

所述开关电路输出开机信号至PMU，所述PMU接收到开机信号后通过第一电源输出端建立第一电源DCDC1，DCDC1为MCU供电，MCU上电后输出控制信号至PMU，所述PMU接收到所述控制信号后，使GPIO0引脚输出高电平。

所述PMU的供电电源输入端连接外接电源U和/或内置电池BAT。在本实施例中，所述PMU可以由外接电源U和电池BAT为其供电，当外接电源U存在时，由外接电源U为PMU供电，且外接电源可以通过PMU为电池BAT充电；当外接电源U不存在时，由电池BAT为PMU供电。

所述开关电路主要由第二电源U2、开关K1、第一充电电容C1、第一充电电阻R1和第一NPN型三极管Q1等构成，参见图3所示，闭合开关K1，所述第二电源U2提供的电流通过所述开关K1、第一充电电容C1、第一充电电阻R1传输至地，所述第一NPN型三极管Q1的基极通过第一限流电阻R2连接所述第一充电电容C1和第一充电电阻R1的中间节点，所述第一NPN型三极管Q1的发射极接地，所述第一NPN型三极管Q1的集电极通过第二限流电阻R3连接所述第二电源U2，所述第一NPN型三极管Q1的集电极与所述第二限流电阻R3的中间节点连接所述PMU的开关输入引脚PB_IN；所述开关K1与所述第一充电电容C1的中间节点连接所述MCU的唤醒引脚，向MCU输送PWR_SWITCH信号。

作为本实施例的另一种优选设计方案，所述第一NPN型三极管Q1也可以用NMOS管替代，所述NMOS的栅极通过第一限流电阻R2连接所述第一充电电容C1和第一充电电阻R1的中间节点，源极接地，漏极通过第二限流电阻R3连接所述第二电源U2。

在关机状态下，当PMU的开关输入引脚PB_IN出现大于t1的低电平时，无论PMU的第一电源保持引脚HOLD_DCDC1处于何种状态，PMU的第一电源输出端都会输出第一电源DCDC1；当开关输入引脚PB_IN恢复为高电平时，如果第一电源保持引脚HOLD_DCDC1为高电平，则第一电源DCDC1保持，如果第一电源保持引脚HOLD_DCDC1为低电平，第一电源DCDC1会掉电，这是PMU芯片本身的特性。

由于t1与PMU的型号有关，在本实施例中，PMU的型号优选为TPS657202，因此，t1为50ms。在本实施例中，所述外接电源U的电压为5V，所述电池BAT的电压VBAT为3.7V，所述第一电源DCDC1的电压为1.9V；所述MCU的型号优选为STM32F429。

在本实施例中，所述PMU的第一电源输出引脚L1通过电感连接第一电源输出端，所述PMU的第一电源反馈引脚FB_DCDC1与第一电源输出端连接，用于检测并调整第一电源DCDC1的输出纹波。

开机过程为：在***关机状态下，闭合开关K1，第一NPN型三极管Q1的基极电压被拉高，第一NPN型三极管Q1基极与发射极之间的电压差大于导通电压，第一NPN型三极管Q1导通，开关输入引脚PB_IN的电平被拉低，PMU检测到开关输入引脚PB_IN低电平时间超过t1时，PMU的第一电源输出端输出第一电源DCDC1，第一电源DCDC1通过MCU的电源输入引脚VDD为MCU供电，MCU上电运行后，向PMU发送控制信号， PMU接收到所述控制信号后，使其GPIO0引脚输出高电平，GPIO0引脚通过第一类上拉电阻R4连接第一电源输出端，第一电源DCDC1通过第一类上拉电阻R4驱动GPIO0引脚，使GPIO0引脚保持高电平；第一电源保持引脚HOLD_DCDC1通过第一类上拉电阻R4连接第一电源输出端，即第一电源保持引脚HOLD_DCDC1与GPIO0引脚连接，从而使第一电源保持引脚HOLD_DCDC1保持高电平，由于引脚HOLD_DCDC1保持高电平，从而使得第一电源DCDC1得以保持，实现开机自锁。在实现开机自锁后，MCU通过检测PWR_SWITCH信号的高电平时间判断开关K1的闭合时间，如果开关K1的闭合时间小于内部设定值，MCU发送控制信号至PMU，PMU接收到控制信号后，使GPIO0引脚输出低电平，从而拉低了第一电源保持引脚HOLD_DCDC1的电平，第一电源DCDC1掉电，***关机；如果开关K1的闭合时间不小于内部设定值，则MCU控制其他相关器件上电，完成开机过程。

闭合开关K1，第一NPN型三极管Q1的基极电压被拉高，且基极与发射极之间的电压差大于导通电压，第一NPN型三极管Q1导通，开关输入引脚PB_IN的电平被拉低；与此同时，第二电源U2对第一充电电容C1进行充电，随着充电的进行，第一NPN型三极管Q1的基极电压逐渐降低，当基极与发射极之间的电压差小于导通电压时，第一NPN型三极管Q1关闭，开关输入引脚PB_IN的电平被拉高；因此，闭合开关K1后，开关输入引脚PB_IN的低电平时间与第一充电电容C1的充电时间有关，通过设置第一充电电容C1的容值和第一充电电阻R1的阻值，控制第一充电电容C1的充电时间，使开关输入引脚PB_IN的低电平时间大于t1，从而使第一电源DCDC1顺利建立。为了进一步地保证第一电源DCDC1能够顺利建立，且实现开机自锁，可以调整第一充电电容C1的容值和第一充电电阻R1的阻值，使开关输入引脚PB_IN的低电平时间大于4t1。

所述MCU的数据通信接口通过I2C总线连接PMU的数据通信接口，实现MCU与PMU的通信，且I2C总线的时钟控制线和数据传输线分别通过第二类上拉电阻R6、R7连接所述的第一电源输出端。

在所述基于PMU的开关机电路中还设置有电源转换电路，所述电源转换电路将电池BAT的电压转换为所述的第二电源U2的电压。作为本实施例的一种优选设计方案，所述电源转换电路优选为低压差线性稳压器LDO，所述低压差线性稳压器LDO的电源输入引脚VIN和电源使能引脚EN分别与电池BAT连接，低压差线性稳压器LDO将电池BAT的电压转换为第二电源U2的电压，并经其电源输出引脚OUT输出。

为了保证MCU协调有序工作，在所述基于PMU的开关机电路中还设置有时钟电路，所述时钟电路与MCU的时钟引脚连接，为MCU提供时钟信号。而且，第二电源U2与MCU的时钟电路供电引脚VDD_RTC连接，为所述时钟电路供电。

为了给***中的***电路供电，所述PMU还需要建立其他电源，如第三电源U3。在PMU中，引脚LDO_EN为第三电源使能引脚，引脚LDO_OUT为第三电源输出引脚，引脚LDO_IN为第三电源输入引脚，引脚LDO_IN连接一从PMU外部接入的电压Vsys，Vsys大于第三电源U3的电压，当引脚LDO_EN为高电平时，引脚LDO_OUT输出所述的第三电源U3。

具体来说，MCU通过I2C总线输出控制信号至PMU，PMU接收到控制信号后，使其GPIO1引脚输出高电平，GPIO1引脚通过上拉电阻R5连接第一电源输出端，第一电源DCDC1通过上拉电阻R5驱动GPIO1引脚，使GPIO1引脚保持高电平；引脚LDO_EN通过上拉电阻R5连接第一电源输出端，即引脚LDO_EN与GPIO1引脚连接，从而引脚LDO_EN为高电平，继而引脚LDO_OUT输出所述的第三电源U3。在本实施例中，所述第三电源U3的电压为2.85V。

所述PMU还可以利用第一电源DCDC1建立第四电源U4，为***电路供电，第四电源U4的电压值与第一电源DCDC1的电压值相等。

具体来说，当需要建立第四电源U4时，MCU输出控制信号至PMU，PMU接收到控制信号后，使其GPIO2引脚输出低电平，由于GPIO2引脚连接一PMOS管Q2的栅极，而PMOS管Q2的源极连接第一电源输出端，由于第一电源DCDC1已经建立，因此PMOS管Q2导通，在PMOS管Q2的漏极建立起第四电源U4；当不需要第四电源U4时，使GPIO2引脚输出高电平，PMOS管Q2关断，第四电源U4掉电。

***上电后，当需要进入低功耗状态时，MCU向PMU发送控制信号，PMU接收到控制信号后，使其GPIO1引脚输出低电平，从而将引脚LDO_EN的电平拉低，从而使第三电源U3掉电；同时，PMU通过GPIO2引脚输出高电平，PMOS管Q2关断，从而第四电源U4掉电。由于第一电源保持引脚HOLD_DCDC1仍为高电平，因此第一电源DCDC1仍然保持，为MCU供电。通过闭合开关K1，使PWR_SWITCH信号由低电平跳变为高电平，这种上升沿即可将MCU从超低功耗状态激活。

在***开机状态下关机时，闭合开关K1，MCU通过检测PWR_SWITCH信号的高电平时间判断开关K1的闭合时间，如果超过一定时间，则MCU关闭***运行器件，并通过I2C总线向PMU发送控制信号，PMU接收到控制信号后，通过GPIO0引脚和GPIO1引脚输出低电平，从而拉低了第一电源保持引脚HOLD_DCDC1和第三电源使能引脚LDO_EN的电平，第一电源DCDC1和第三电源U3掉电，由于第一电源DCDC1掉电，继而第四电源U4掉电；第一电源DCDC1掉电后，上拉电阻R4和R5失去上拉电平，第一电源保持引脚HOLD_DCDC1和第三电源使能引脚LDO_EN无法再继续保持高电平，***完成关机动作。

***关机后，只要电池BAT有电，第二电源U2就一直保持，为时钟电路供电，保证时钟正常计时。

当***运行出现异常时，MCU可能无法通过I2C总线来控制PMU实现关机操作，为了避免出现无法关机的情况，在所述基于PMU的开关机电路中还设置有硬件复位电路，该硬件复位电路的输出端直接连接至PMU的第一电源保持引脚HOLD_DCDC1，一方面节省了MCU引脚资源，另一方面可以使得复位时整个***掉电复位，MCU和电路中的功能芯片均复位，避免了现有技术中仅MCU复位时由于MCU复位过程中程序跑飞而导致***电路中的功能芯片不能正常启动工作的问题。

所述硬件复位电路包括输入端IN1、第二充电电阻R8、第二充电电容C2、第二NPN型三极管Q3、输出端OUT1，参见图4所示；所述输入端IN1的一端连接所述开关K1与所述第一充电电容C1的中间节点，输入端IN1的另一端连接所述第二充电电阻R8的一端，所述第二充电电阻R8的另一端通过所述第二充电电容C2接地；所述第二充电电阻R8与所述第二充电电容C2的中间节点通过限流电阻R9连接所述第二NPN型三极管Q3的基极，第二NPN型三极管Q3的基极通过电阻R10连接第二NPN型三极管Q3的发射极，第二NPN型三极管Q3的发射极接地，，所述第二NPN型三极管Q3的集电极连接所述输出端OUT1的一端，所述输出端OUT1的另一端连接所述PMU的第一电源保持引脚HOLD_DCDC1。在第二充电电阻R8的两端还并联有一个二极管D1，所述二极管D1的阴极通过电阻R11接地，阳极连接第二充电电阻R8与第二充电电容C2的中间节点。

当开关K1的闭合时间达到硬件复位时间t2时，硬件复位电路使***关机。具体过程如下：

闭合开关K1，由第二电源U2提供的电流经开关K1、输入端IN1、第二充电电阻R8传输至第二充电电容C2，为C2充电，随着充电的进行，第二NPN型三极管Q3的基极电压逐渐升高，当基极与发射极之间的电压差大于导通电压时，第二NPN型三极管Q3导通，随着基极电流不断增大，集电极电压不断减少，使输出端OUT1成为低电平，此时开关K1的闭合时间为t2，从而将第一电源保持引脚HOLD_DCDC1的电平拉低，第一电源DCDC1掉电，上拉电阻R4和R5失去上拉电平，第一电源保持引脚HOLD_DCDC1和第三电源使能引脚LDO_EN无法再继续保持高电平，***完成关机动作。

断开开关K1后，电容C2内部存储的电量通过二极管D1和电阻R11快速放电，以便于下次闭合开关K1时不会因为电容C2内部有残余电量而影响到硬件复位时间t2。

由于硬件复位时间t2与第二充电电容C2的充电时间有关，因此，可以通过配置第二充电电阻R8的阻值和第二充电电容C2的容值来调整t2。

将所述的基于PMU的开关机电路应用在蓝牙腕带等电子设备中，所述电子设备主要包括开关电路、PMU和MCU，所述PMU的电源引脚连接供电电源输入端，所述开关电路的输出端连接PMU的开关输入引脚PB_IN，所述PMU的第一电源输出端连接MCU的电源输入引脚VDD，所述PMU的GPIO0引脚通过第一类上拉电阻R4连接所述第一电源输出端，所述PMU的第一电源保持引脚HOLD_DCDC1连接所述GPIO引脚，所述PMU的数据通信接口连接MCU的数据通信接口。

通过在电子设备中设置所述基于PMU的开关机电路，用于对电子设备进行开关机控制，使电子设备的开关机控制稳定，满足了开关机控制需求，提高了电子设备的性能。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于PMU的开关机电路，其特征在于：包括开关电路、PMU和MCU，所述PMU的开关输入引脚连接所述开关电路的输出端，所述PMU的电源引脚连接供电电源输入端，所述PMU的第一电源输出端连接MCU的电源输入引脚，所述PMU的一个GPIO引脚通过第一类上拉电阻连接至所述第一电源输出端，所述PMU的第一电源保持引脚连接所述GPIO引脚，所述PMU的数据通信接口连接MCU的数据通信接口。

2.根据权利要求1所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：所述开关电路包括第二电源、开关、第一充电电容、第一充电电阻和第一NPN型三极管；所述第二电源提供的电流通过所述开关、第一充电电容、第一充电电阻传输至地，所述第一NPN型三极管的基极通过第一限流电阻连接所述第一充电电容和第一充电电阻的中间节点，所述第一NPN型三极管的发射极接地，所述第一NPN型三极管的集电极通过第二限流电阻连接所述第二电源，所述第一NPN型三极管的集电极与所述第二限流电阻的中间节点连接所述PMU的开关输入引脚；所述开关与所述第一充电电容的中间节点连接所述MCU的唤醒引脚。

3. 根据权利要求2所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：还包括硬件复位电路，所述硬件复位电路包括输入端、第二充电电阻、第二充电电容、第二NPN型三极管、输出端；所述输入端的一端连接所述开关与所述第一充电电容的中间节点，另一端连接所述第二充电电阻的一端，所述第二充电电阻的另一端通过所述第二充电电容接地；所述第二充电电阻与所述第二充电电容的中间节点连接所述第二NPN型三极管的基极，所述第二NPN型三极管的发射极接地，所述第二NPN型三极管的集电极连接所述输出端的一端，所述输出端的另一端连接所述PMU的第一电源保持引脚。

4. 根据权利要求3所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：还包括时钟电路，所述时钟电路与所述MCU的时钟引脚连接，为所述MCU提供时钟信号；所述第二电源与所述MCU的时钟电路供电引脚连接，为所述时钟电路供电。

5. 根据权利要求4所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：所述PMU的供电电源输入端连接外接电源和/或内置电池。

6. 根据权利要求5所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：还包括将所述电池的电压转换成所述第二电源的电压的电源转换电路。

7. 根据权利要求6所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：所述电源转换电路为低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的电源输入引脚和电源使能引脚分别与所述电池连接，所述低压差线性稳压器的电源输出引脚输出所述的第二电源。

8. 根据权利要求1所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：所述PMU的第一电源输出端与所述PMU的第一电源反馈引脚连接，同时通过电感连接所述PMU的第一电源输出引脚。

9. 根据权利要求1所述的基于PMU的开关机电路，其特征在于：所述PMU的数据通信接口通过I2C总线连接MCU的数据通信接口，且所述I2C总线的时钟控制线和数据传输线均通过第二类上拉电阻连接所述PMU的第一电源输出端。

10. 一种电子设备，其特征在于：设置有如权利要求1至9中任一项权利要求所述的基于PMU的开关机电路。