低功耗开关机电路

提示：本文内容仅供学习参考。Author: Jonnie Walker CGC

目录

前言

一、电路的设计指标？

二、硬件电路基本描述

二、软件基本描述

总结

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前言

最近在做一个低功耗项目，所以应用了这个低功耗开关机电路，就此将其分享给大家！

具体功能描述请看往下看。

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一、电路的设计指标？

静态电流 (I_q) 关机状态下的漏电流，理想值应 < 5 u A。

导通压降 (V_{drop}) 电源流过开关管（如 P-MOS）产生的损耗，由 R_{DS(on)} 决定。

输入电压范围 需匹配电池电压（如锂电 3.7V - 4.2V）。

逻辑电平 开机维持信号必须与 MCU 的逻辑电平（3.3V 或 5V）匹配。

其实也可以选择专业POWER管理IC。

二、硬件电路基本描述

图1

1. 核心元件与信号路径

• Q21(S8050)：NPN型三极管，作为电子开关使用。

• Powk：一个单刀双掷开关，用于手动触发。

​- D34, D33, D1 (1N5819WS)：肖特基二极管，用于单向导通和防止反向电流。

​- Q4、Q5 (AO3401)：P沟道MOSFET，用于电源路径的通断控制（选择静态电流小的）。

​- R203上拉电阻、R1下拉电阻，确保MOSFET栅极在无驱动时可靠关断与导通。

​- R205限流电阻，控制Q21的基极电流。

​- R204：上拉电阻，为GPIO-KEY信号提供默认稳定高电平。

（1）手动开机/唤醒功能（Powk按键）

• 当Powk按下时，触点1-2导通， GPIO-KEY 信号被拉低。

​- 这个低电平信号可以被MCU检测到，作为开机/唤醒的触发信号。

（2）电池供电路径控制

• BAT-OUT：电池正极输入。

• GPIO-POWER：使能控制信号输入（开机后需要MCU维持逻辑电平）。

• 当 GPIO-POWER 为高电平时：

1. 电流经R205(R168释放Q4寄生电容能量)，使Q21基极获得足够电流，Q21导通。

​2. Q21导通后，其集电极（连接到Q4的栅极）被拉低。

​3. Q4和Q5是P沟道MOSFET，栅极（G）为低电平时，源极（S）和漏极（D）之间导通。

​4. 电池正极 BAT-OUT经Q4输出，同时经Q5连接到系统 VCC ，为整个系统供电。

• 当 GPIO-POWER 为低电平时：

1. Q21基极无电流，Q21截止。

2. Q4的栅极通过R203被上拉到 BAT-OUT ，MOSFET关断，电池供电被切断。(Q5通过R1下拉默认一直处于导通状态)

（3）二极管的作用

• D33：防止 GPIO-KEY 信号被 BAT+-OUT倒灌，确保按键触发的独立性。

• D34：防止Q21导通时， BAT-OUT 的电压倒灌到按键电路，保护Powk和相关元件。

• D1：防止电压倒灌，隔离保护相关元件。

​

开关机电路：从源头切断整个系统的供电。对于需要放置数月不充电的电池供电设备，物理级的电源切断是必须的。

二、软件基本描述

软件基于ESP32设计的。思想是一样的！做一些调整即开加入自己的项目中。

Arduino代码：

/*
 * 一键开关机电路控制程序
 * 硬件连接：
 * - GPIO_POWER (IO10): 连接 Q21 的基极电阻，高电平维持供电
 * - GPIO_KEY   (IO11): 连接按键检测点，低电平表示按键按下
 */

const int PIN_POWER_LATCH = 10; // GPIO_POWER
const int PIN_BUTTON_DET  = 11; // GPIO_KEY

// 关机所需的长按时间（毫秒）
const unsigned long SHUTDOWN_TIME = 2000; 

void setup() {
  // 1. 【最关键】立即将维持引脚设为高电平，完成自锁
  // 这一步必须放在 setup 的最前面
  pinMode(PIN_POWER_LATCH, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_POWER_LATCH, HIGH);

  // 2. 初始化按键检测引脚
  pinMode(PIN_BUTTON_DET, INPUT); // 电路已有外部上拉 R204

  Serial.begin(115200);
  Serial.println("系统已上电并完成自锁");
}

void loop() {
  static unsigned long buttonPressStart = 0;
  static bool isPressing = false;

  // 读取按键状态（按下为 LOW）
  if (digitalRead(PIN_BUTTON_DET) == LOW) {
    if (!isPressing) {
      // 记录按下的初始时间
      buttonPressStart = millis();
      isPressing = true;
      Serial.println("检测到按键按下...");
    }

    // 如果按下时间超过预设阈值
    if (millis() - buttonPressStart > SHUTDOWN_TIME) {
      executeShutdown();
    }
  } else {
    if (isPressing) {
      isPressing = false;
      Serial.println("按键已松开");
    }
  }

  // 正常的系统逻辑
  // ...
}

void executeShutdown() {
  Serial.println("执行关机序列...");
  
  // 可以在这里添加保存数据、关闭外设的操作
  delay(500); 

  // 释放维持信号，Q21 截止 -> Q4 截止 -> 系统断电
  digitalWrite(PIN_POWER_LATCH, LOW);

  // 进入死循环等待彻底断电
  while (true) {
    delay(100);
  }
}

ESP-IDF（v5.0及以上版本）代码：

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_log.h"

// 引脚定义（根据电路图）
#define GPIO_POWER_LATCH    GPIO_NUM_10  // IO10
#define GPIO_KEY_DET        GPIO_NUM_11  // IO11

#define SHUTDOWN_HOLD_TIME_MS 2000       // 长按 2 秒关机
static const char *TAG = "POWER_CTRL";

/**
 * 核心逻辑：关机执行函数
 */
void execute_system_shutdown() {
    ESP_LOGI(TAG, "正在执行关机，释放 LATCH 引脚...");
    
    // 可以在此处添加：保存 NVS 数据、关闭传感器、断开 Wi-Fi 等操作
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));

    // 释放维持信号（拉低 IO10）
    gpio_set_level(GPIO_POWER_LATCH, 0);

    // 进入死循环等待硬件断电
    while (1) {
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

/**
 * 按键检测任务
 */
void power_key_monitor_task(void *pvParameters) {
    uint32_t press_duration = 0;
    const uint32_t interval = 50; // 每 50ms 检测一次

    while (1) {
        // 读取按键状态（按下为 0，因为有 D34 和 Powk 接地）
        if (gpio_get_level(GPIO_KEY_DET) == 0) {
            press_duration += interval;
            if (press_duration >= SHUTDOWN_HOLD_TIME_MS) {
                execute_system_shutdown();
            }
        } else {
            press_duration = 0; // 松开则重置计数
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(interval));
    }
}

void app_main(void) {
    // 1. 【核心：第一时间自锁】配置 GPIO_POWER 为输出并拉高
    gpio_config_t io_conf_power = {
        .pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_POWER_LATCH),
        .mode = GPIO_MODE_OUTPUT,
        .pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE,
        .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE,
        .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE,
    };
    gpio_config(&io_conf_power);
    gpio_set_level(GPIO_POWER_LATCH, 1); // 锁定电源

    ESP_LOGI(TAG, "电源已锁定，系统初始化中...");

    // 2. 配置 GPIO_KEY 为输入
    // 注意：电路中 R204 已经是外部上拉，所以这里配置为浮空输入即可
    gpio_config_t io_conf_key = {
        .pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_KEY_DET),
        .mode = GPIO_MODE_INPUT,
        .pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE, 
        .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE,
        .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE,
    };
    gpio_config(&io_conf_key);

    // 3. 创建按键监控任务
    xTaskCreate(power_key_monitor_task, "power_key_task", 2048, NULL, 5, NULL);

    // 这里可以开始你原本的业务逻辑（比如初始化传感器、飞行控制算法等）
    while (1) {
        // ESP_LOGI(TAG, "系统运行中...");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

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总结

这个电路是一个电池供电系统的POWER管理与唤醒电路需要配合软件才能正常工作，主要实现以下功能：

1. 手动开机/唤醒：通过Powk按键拉低 GPIO-KEY 信号，通知MCU进行开机或唤醒操作。

2. 自动电源控制：通过 GPIO-POWER 信号控制Q21的导通/截止，进而控制Q4一个MOSFET的通断，实现电池供电的自动开启和关闭。

3. 电源路径隔离：通过肖特基二极管和MOSFET，有效隔离了按键电路、电池供电电路和系统供电电路，防止电流倒灌和误触发。

简单来说，这是一个由按键触发和外部信号控制的电池供电开关电路，常见于需要低功耗待机和一键开机的便携式设备中。

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