基于CPLD的電池供電系統斷電電路的設計

今天，大多數的CPLD（復雜可編程邏輯器件）都采用可減少功耗的工作模式，但當系統未使用時(shí)，應完全切斷電源以保存電池能量，從而實(shí)現很多設計者的終極節能目標。圖1描述了如何在一片CPLD 上增加幾只分立元件，實(shí)現一個(gè)節省電池能量的系統斷電電路。在本例中，使用的CPLD是Altera EPM570-T100。使用一只外接P溝道MOSFET Q1和一只國際整流器公司 的IRLML6302（或等效器件），構成IC1 CPLD的一個(gè)電源控制開(kāi)關(guān)。CPLD和開(kāi)關(guān)矩陣控制著(zhù)MOSFET的柵極，當用戶(hù)按下一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，在Q1上施加開(kāi)關(guān)的偏壓。CPLD內帶一個(gè)嵌入的計時(shí)器，用于監控開(kāi)關(guān)和系統的工作。當系統處在一個(gè)特定的不工作周期內時(shí)，計時(shí)器會(huì )去掉 MOSFET 的柵極驅動(dòng)，使CPLD以及連接到MOSFET上的其它元器件斷電。

Q1的源極連接到電池的正極，其漏極連接到IC1的VCC(INT)、VCC(IO1)和VCC(IO2)電源腳和其它需要斷電控制的元件。當電源斷開(kāi)時(shí)，一只1kΩ的上拉電阻R3將Q1的柵源電壓保持在0V，維持其關(guān)斷狀態(tài)。當切斷IC1電源時(shí)，它通過(guò)CPLD的斷電管腳建立一個(gè)對地的泄漏路徑。EPM570T100帶有熱插保護，可將任何用戶(hù)可接觸器件的I/O腳限流在 300mA 以下。因此，即使在最差情況下，R3上產(chǎn)生的I/O腳電壓也不會(huì )達到FET的0.7V最小柵極閾值導通電壓。

按下任何開(kāi)關(guān)都會(huì )通過(guò)開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)以及相應的二極管建立一個(gè)電流路徑，因此在R3上產(chǎn)生約2.3V的柵源偏壓，這個(gè)電壓足以在約100ms時(shí)間內使Q1導通，并為IC1供電。當激活機械開(kāi)關(guān)時(shí)，它們的最小導通時(shí)間至少為3ms，而一個(gè)典型的操作員的按/放時(shí)間至少要30ms。由于人的響應時(shí)間相對較慢，在操作者松開(kāi)開(kāi)關(guān)以前，CPLD可以完成導通、復位內部電路，并將使Q1導通的斷電管腳維持在邏輯零狀態(tài)。

除了用戶(hù)設定的應用邏輯以外（圖中未畫(huà)），CPLD的電源控制邏輯增加了一對標準參數的庫宏電路，它由Altera的Quartus II開(kāi)發(fā)工具生成。內部的4.4MHz±25%振蕩器Altufm_osc驅動(dòng)一個(gè)模塊化44 million LPM（庫參數化模塊）計數器。CPLD應用邏輯產(chǎn)生的邏輯低電平信號或關(guān)閉任何開(kāi)關(guān)時(shí)都會(huì )使計數器復位。當復位計數器時(shí)，它的執行信號變低，驅動(dòng)外接的斷電管腳。當去掉復位時(shí)，反相的執行信號會(huì )重新開(kāi)始 LPM 計數器的運行。

如果所有開(kāi)關(guān)均為開(kāi)，應用邏輯為不工作狀態(tài)，則計數器在約10秒內計數到4400萬(wàn)，然后內部執行信號變高電平，關(guān)斷計數器，并保持執行信號為高電平。接下來(lái)，斷電管腳向VCC爬升，當斷電管腳電壓達到2.3V時(shí)關(guān)斷Q1。關(guān)斷CPLD的電源會(huì )使斷電管腳進(jìn)入三態(tài)（或不連接）模式，而R3使Q1保持關(guān)斷。

用戶(hù)可以使用符合JTAG標準的命令，用一根下載電纜連接到一個(gè)廠(chǎng)家定義的10腳插頭上，對EPM570-T100進(jìn)行配置。該過(guò)程需要在配置前、中、后按一個(gè)外接的開(kāi)關(guān)，以保證CPLD能在配置過(guò)程中獲得電源?？梢酝ㄟ^(guò)改變計數器的模塊，將不工作時(shí)間設置為任何需要的值。雖然電源、地和JTAG信號都使用專(zhuān)用的器件管腳，但也可以將任何通用CPLD I/O腳設定為開(kāi)關(guān)輸入和斷電輸出。

如果你的應用需要一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)矩陣，則可以用n個(gè)二極管搭成一個(gè)nxm開(kāi)關(guān)，進(jìn)行有效的上電檢測（圖2）。在本例中，一排排開(kāi)關(guān)通過(guò)二極管D1~D4連接到MOSFET的柵極。電阻R8~R11為每行開(kāi)關(guān)提供一個(gè)對地通路，并只在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)承載電流，使行輸入為低電平，同時(shí)保證只消耗最小的電源電流。

當用戶(hù)按壓任一開(kāi)關(guān)時(shí)，Q1的柵極為低電平，CPLD接通。在用戶(hù)釋放開(kāi)關(guān)以前，一個(gè)快速的CPLD上電例程，掃描開(kāi)關(guān)陣列的各行和各排，以確定用戶(hù)按下的是哪個(gè)開(kāi)關(guān)。并且重置信號復位LPM計數器的不工作定時(shí)器。