7.0 KiB
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软开关机电路设计方案（长按 2 秒开机 + 自动关机）
适用于 MotherCup 整机：电池供电，按键软开关，防误触开机，无操作自动断电。
1. 需求
| 项 | 要求 |
|---|---|
| 开机 | 长按按键 2 秒才开机（防误触，短按不开机） |
| 关机 | 自动关机：无操作超时后自动断电（固件定时，超时值可配） |
| 掉电后 | 整机彻底断电（VSYS=0），待机电流仅 P-MOS 漏电流（<1µA 级） |
2. 电路设计
VBAT（电池 3.0~4.2V）
│
│ S
Q1 ─────┤ P-MOS (AO3401)
│ D
├─────────────────────── VSYS（整机电源，去 LDO/升压/制冷片）
│ G（栅极节点 G）
│
R2 100K ─────────┼────┬──────────────────┬─────────────────────┐
(接 VBAT) │ │ │ │
│ │D │D │
│ Q2(N-MOS 2N7002) Q3(N-MOS 2N7002) │
│ │G │G │
│ │ │ │
│ ├─ R3 10K ─┐ ├── C1 3.3µF ── GND │
│ │ │ │ │
│ ├─ R5 100K ┴ GND ├── R4 10M ── GND │
│ │ (PWR_HOLD 下拉，MCU 掉电时确保 Q2 关) │
│ │ │ │
│ └──── PWR_HOLD (MCU 输出) │
│ R1 1M │
│ │ │
│ SW1 ──── VBAT │
│ │ │
│ (可选) KEY_DET (MCU 输入) │
│ Q2/Q3 源极 ── GND Q2/Q3 源极 ── GND
说明：Q2 的漏极与 Q3 的漏极都并到栅极节点 G，任一路导通都能把 Q1 栅极拉低。
3. 工作原理
3.1 开机（长按 2 秒）
- 初始：
PWR_HOLD悬空（MCU 未上电），R5 把 Q2 栅极拉低 → Q2 关断； R2 把 Q1 栅极拉高到 VBAT → Q1 关断 → VSYS=0，整机断电。 - 按住 SW1：VBAT 经 SW1 → R1 给 C1 充电（τ = R1×C1 ≈ 3.3s）。
- 约 2.1 秒后 C1 电压达到 Q3(2N7002) 阈值(~2V) → Q3 导通 → 拉低 Q1 栅极 → Q1 导通 → VSYS 得电。
- MCU 上电启动，第一时间置
PWR_HOLD=高→ Q2 导通 → 持续拉低 Q1 栅极（锁存开机）。 - 松开 SW1：C1 经 R4 缓慢泄放，Q3 逐渐关断，但 Q2 已锁存，不影响供电。
- 若按的时间不足 2 秒就松手：C1 没充到阈值，Q3 不导通，Q1 不开机（防误触）。
3.2 自动关机
- MCU 运行中检测「无操作」超时（BLE 无指令 / 按键无动作，超时值可配，见 §6）。
- 超时到 → 置
PWR_HOLD=低→ Q2 关断 → R2 把 Q1 栅极拉高 → Q1 关断 → VSYS=0 → 整机断电。
4. 器件清单（BOM）
| 位号 | 器件 | 参数/型号 | 封装 | 数量 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Q1 | P-MOSFET | AO3401（-30V/-4A，低压开启） | SOT23 | 1 | 高边主开关 |
| Q2 | N-MOSFET | 2N7002（Vth≈2V） | SOT23 | 1 | PWR_HOLD 锁存 |
| Q3 | N-MOSFET | 2N7002（Vth≈2V） | SOT23 | 1 | 长按开机触发 |
| R1 | 电阻 | 1MΩ ±5% | 0402 | 1 | C1 充电电阻（定 2s 延时） |
| R2 | 电阻 | 100KΩ | 0402 | 1 | Q1 栅极上拉（默认关机） |
| R3 | 电阻 | 10KΩ | 0402 | 1 | PWR_HOLD → Q2 栅极 |
| R4 | 电阻 | 10MΩ | 0402 | 1 | C1 泄放 |
| R5 | 电阻 | 100KΩ | 0402 | 1 | Q2 栅极下拉（MCU 掉电时确保 Q2 关） |
| C1 | 电容 | 3.3µF / 10V X7R | 0603 | 1 | 延时电容 |
| SW1 | 轻触按键 | 6×6 侧按/顶按 | — | 1 | 电源键 |
| (可选) D1 | 二极管 | BAT54 | SOT23 | 1 | 如 KEY_DET 需隔离时用 |
5. RC 延时计算
- 充电：
Vc(t) = VBAT × (1 − e^(−t/RC))，RC = R1×C1 = 1M×3.3µF = 3.3s。 - 2N7002 阈值约 2V，取 VBAT=4.2V：到达 2V 的时间
t = −RC·ln(1 − 2/4.2) = −3.3·ln(0.524) ≈ 2.13s✓（约 2 秒）。 - 若需更精确 2.0s，可调 R1=910K 或 C1=3.0µF；最终以实测为准微调 R1/C1。
6. 固件配合
6.1 GPIO
| 引脚 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
PWR_HOLD |
输出 | main() 最开头就置高（先于 banner/初始化），锁存开机；自动关机时置低 |
KEY_DET（可选） |
输入 | 接 C1 节点/按键节点，运行中检测按键，用于复位自动关机定时器 |
注意：
PWR_HOLD必须在 MCU 复位后立即拉高，否则用户一松键就掉电。
6.2 自动关机定时（伪代码）
// 空闲超时值（可做成 APP_DATA 参数，appset 配置）
#define AUTO_OFF_TIMEOUT_MS 120000 /* 默认 2 分钟，可配 */
void activity_heartbeat(void) { // 任何活动（BLE 指令/按键）都调
s_last_activity = xTaskGetTickCount();
}
// 在某个常驻任务里（如 BLE 调度任务）周期性检查：
if ((xTaskGetTickCount() - s_last_activity) >= pdMS_TO_TICKS(AUTO_OFF_TIMEOUT_MS)) {
display_set(0, DISP_TYPE_CELSIUS, DISP_BASE_DECIMAL); // 可先清屏/提示
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
PWR_HOLD_LOW(); // 断电
for(;;) {} // 等电源跌落
}
7. 注意事项
- 开机时序：
PWR_HOLD必须在 MCU 启动后立即置高，且 R5 保证 MCU 掉电时 Q2 可靠关断。 - C1 泄放：R4 取 10M 时泄放 τ≈33s；若担心「短按后快速再长按」会把上次残余电荷算进去，可把 R4 调小（如 4.7M）或加受控泄放。
- 待机功耗：关机时只有 R2(100K→VBAT) 与 P-MOS 漏电流，约 0.04µA + 漏电流，可满足低待机要求。
- VBAT 下限：Q3(2N7002) 阈值 2V，电池低到 ~2.5V 时 C1 充不到阈值会导致开不了机；若需支持更低电压，换低压开启的 N-MOS（如 SI2302，Vth<1V）并重算 RC。
- 栅极保护：Q1 栅极如需加 TVS/钳位（防静电/浪涌），可在 G 节点对 VBAT 加 4.7~6.8V 稳压管（可选）。
8. 待确认
- 自动关机超时值：本文默认 2 分钟（
AUTO_OFF_TIMEOUT_MS），你之前写的是「2 秒」——请确认用多少。 - 是否需要 KEY_DET（按键复位自动关机定时 / 手动关机）。
- 电池最低电压（决定 Q3 选型与 RC 是否需重算）。