APM32芯得 | 基于APM32F411控制的一个软开关电路设计分享

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1. 前言

说明：本文介绍的软开关电路，并不是开关电源里面的软开关概念，而是系统供电的开关，结合MCU等控制芯片，控制系统供电的开启或关断。

在某些电子产品的场合，我们经常会需要用到按键长按进行开机，然后按键长按进行关机，或者按键长按之后有触摸屏的可以弹出关机菜单，然后进行关机的操作。这个操作的过程就是软开关电路在控制的。

比如说可穿戴的手环设备，就有一个按键可以长按开机，这时松开了开机键之后也不会掉电。开机之后，长按按键，如果有UI界面的话，可以弹出关机选项，然后选择关机，又或者MCU检测到长按，直接输出控制，关断系统的供电。开机之后，进行关机的操作，就是由这个软开关电路进行控制的。

2. 硬件设计

根据上面的介绍，软开关并不能都只依靠软件来完成，因为当系统电源处于关闭状态时，MCU都还没有供电，此时就只能通过按下开关键，然后等待MCU上电后进行电源的控制，当软件运行起来之后，就算开关键松开了，也可以控制住电源不会掉电。

总结起来，软开关电路的设计需要下面一些条件：

当整个系统处于断电状态，有一个按键可以控制开机

系统开机之后，有一个 GPIO 口可以控制系统电源的打开和关闭

系统开机之后，可以检测到按键长按的状态，然后进行关机动作（如果有UI界面，也可以是UI界面控制关机的动作）

根据上面总结的几个条件，下面我分享一个基于 APM32F411 MCU 控制的一个软开关电路的设计。

2.1 电路原理图

软开关电路设计的思路有很多，我的设计想法是控制电源芯片的 EN （使能）脚，控制使能脚的供电开关，从而控制电源芯片输出电压，给到整个系统进行供电。

下图就是软开关电路的总体电路图： 

总体介绍：

该电路的电源输入有：3.7V 电池和 USB 供电两种方式。

软开关控制的思路是，控制SPX3819电源芯片的使能引脚的供电，使能引脚上有电压时，SPX3819 就会有 3.3V 输出，从而给整个系统供电。

当 SW1 按键没有按下时，PMOS管 Q2 的源极和栅极电位相等，Vgs = 0V，不能导通，所以没有电压通过 SPX3819 的使能脚，也就没有 3.3V 输出给系统。

2.2 原理分析

软开关电路控制部分，主要位于左下角的电路。下面我分几种状态，对该电路如何实现了软开关功能进行详细分析。

1）系统关机，SW1按键未按下

当系统处于掉电状态，而且此时 SW1 按键也没有按下，而且控制 NMOS 管 Q3 的栅极控制信号 SYS_POWER_LOCK 此时也是处于低电平的状态，所以 NMOS 管 Q3 关闭。所以，Q2 的 PMOS 管此时的G极（栅极）和S极（源极）电位相等， 即 Q2管 的 Vgs = 0V，也就是说 Q2 管是关闭的，所以 VIN 电压不可能输入到电源芯片的 SPX3819 的使能脚，也就不可能有 3.3V 的输出给整个系统供电，所以此时系统没有供电。

此状态下的等效电路图如下： 

2）系统关机，SW1按键按下

当系统处于掉电状态，但是SW1按键按下时，此时的 PMOS 管 Q2 的栅极电压就是二极管 D3 1N5819 的管压降电压，我这里就算它有 0.7V 好了，那么也就是说 Q2 的栅极电位是 Vg = 0.7V，而此时 Q2 的源极电压是 VIN（电源输入电压，3.7V或者5V）。所以 Vgs = -4.3V，Q2 导通，也就是有电压输入到 SPX3819 芯片的使能脚，从而有3.3V电源给整个系统供电。

所以，按下SW1按键，系统开机。

此时的等效电路如下： 

3）系统开机，SYS_POWER_LOCK控制信号输出高电平，SW1按键松开

SW1下，有电源给整个整个系统供电之后，此时MCU软件运行，然后马上对 SYS_POWER_LOCK 控制信号，输出高电平，控制 NMOS 管 Q3 导通。

然后这时，用户松开 SW1 按键，但是由于此时 Q3 导通，所以 Q2 管的栅极（G极）电压基本接近 GND （取决于Q3的管压降）。所以，Q2 管依然保持导通的状态，系统供电正常。

此时的等效电路图如下： 

4）系统开机，SW1按键按下

当系统已经开机后，此时已经有了3.3V给整个系统供电了。这时再按下SW1按键，又或者是松开 SW1 按键，已经不会再影响系统的电源的开关了，因为此时已经通过 MCU 控制 Q3 NMOS 管导通了，系统的电源会一直保持导通状态。

而此时按下的 SW1 按键，已经可以作为一个普通按键给 MCU 进行识别了，比如是按下状态，是长按状态等，MCU都可以识别。反正此时可以作为一个普通的用户按键使用。

此时的等效电路图如下： 

此处需要注意的就是 D2 1N5819 二极管的管压降大小，需要查看MCU数据手册的低电平阈值标准，如果管压降太大，按键按下 MCU 可能也会不认为是低电平。

5）系统开机之后，SYS_POWER_LOCK控制信号输出低电平

系统开机之后，如果 MCU 检测到 SW1 按键的长按状态（又或者有触摸界面的，可以通过触摸界面关闭系统电源），那么 SYS_POWER_LOCK 就输出低电平，此时 Q3 就不导通了。然后这时用户松开 SW1 按键，系统就彻底的断电了，就回到了最前面介绍初始状态 —— 系统断电，SW1按键松开的情况了。

3. 软件设计

软开关电路的设计，相比于硬件而言，软件其实是更简单的，无非就是通过 MCU 控制 SYS_POWER_LOCK 信号的高或者低就可以了。系统开机之后，如果还需要通过检测按键进行关机的，那么还需要检测 SW1 按键的代码。

下面是基于 APM32F411 控制软开关的简单代码示例。

1、 控制 SYS_POWER_LOCK 信号代码，从而控制系统的供电开关。 

2、

void power_control_gpio_config(void)

{

    GPIO_Config_T gpioConfigStruct;

    /* Enable GPIO clock */

    RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOA);

    gpioConfigStruct.pin   = GPIO_PIN_15;

    gpioConfigStruct.mode  = GPIO_MODE_OUT;

    gpioConfigStruct.speed = GPIO_SPEED_100MHz;

    gpioConfigStruct.otype = GPIO_OTYPE_PP;

    gpioConfigStruct.pupd  = GPIO_PUPD_NOPULL;

    GPIO_Config(GPIOA, &gpioConfigStruct);

    GPIO_ResetBit(GPIOA, GPIO_PIN_15);

}

/* 系统开机 */

void power_enable(void)

{

    GPIO_SetBit(GPIOA, GPIO_PIN_15);

}

/* 系统关机 */

void power_disable(void)

{

    GPIO_ResetBit(GPIOA, GPIO_PIN_15);

}

2、检测按键 SW1 按下或者长按的代码，从而决定是否执行关机动作。 

static struct Button key1;

static struct Button key2;

static struct Button key3;

void key_gpio_config(void)

{

    GPIO_Config_T gpioConfigStruct;

    /* Enable GPIO clock */

    RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOB);

    /* KEY1/2/3 : PB0/1/2 */

    gpioConfigStruct.mode = GPIO_MODE_IN;

    gpioConfigStruct.pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2;

    gpioConfigStruct.pupd  = GPIO_PUPD_UP;

    GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfigStruct);

}

uint8_t read_key_gpio(uint8_t key_id)

{

    uint8_t temp = 1;

    switch(key_id)

    {

        case 0:

            temp = GPIO_ReadInputBit(GPIOB, GPIO_PIN_0);

            break;

        case 1:

            temp = GPIO_ReadInputBit(GPIOB, GPIO_PIN_1);

            break;

        case 2:

            temp = GPIO_ReadInputBit(GPIOB, GPIO_PIN_2);

            break;

        default:

            temp = 1;

            break;

    }

    return temp;

}

void key1_callback(void *button)

{

    uint32_t btn_event_val; 

    btn_event_val = get_button_event((struct Button *)button); 

    switch(btn_event_val)

    {

        case PRESS_DOWN:

            printf("************* key1 press down! *************\n"); 

            break; 

        case PRESS_UP: 

            printf("************* key1 press up! *************\n");

            break; 

        case PRESS_REPEAT: 

            printf("************* key1 press repeat! *************\n");

            break; 

        case SINGLE_CLICK: 

            printf("************* key1 single click! *************\n");

            break; 

        case DOUBLE_CLICK: 

            printf("************* key1 double click! *************\n");

            break; 

        case LONG_PRESS_START: 

            printf("************* key1 long press start! *************\n");

            LCD_Fill(0,0,LCD_W,LCD_H,BLACK);

            LCD_ShowString(60,LCD_H/2,(uint8_t*)"Shutdown",WHITE,BLACK,32,1); // LCD输出关机提示

            delay_ms(1500);

            power_disable();    // 检测到按键长按，系统关机

            //while (1);

               break; 

        case LONG_PRESS_HOLD: 

            printf("************* key1 long press hold! *************\n");

            break; 

    }

}

void multi_button_register(void)

{

    button_init(&key1, read_key_gpio, 0, KEY1_ID);

    button_init(&key2, read_key_gpio, 0, KEY2_ID);

    button_init(&key3, read_key_gpio, 0, KEY3_ID);

    button_attach(&key1, (PressEvent)PRESS_UP, (BtnCallback)key1_callback);

    button_attach(&key1, (PressEvent)LONG_PRESS_START, (BtnCallback)key1_callback);

    button_start(&key1);

}

4. 效果演示

以上介绍的软开关电路，已经把对应的实物电路做出来了，而且经过了测试验证，测试没有发现什么问题，可以正常使用。

不过上面的分析也不一定正确，或者电路有什么缺陷还没注意到，如果有错误的地方大家一起讨论。

下面是补充的演示效果图：

首先是系统关机状态，然后长按按键开机，然后 MCU 上电运行程序，屏幕输出开机界面提示，并且 MCU 输出控制信号锁住电源，让系统一直保持供电。这时再松开按键，整个系统的供电依然正常。

开机之后，再长按按键，MCU 检测到按键的长按状态，就会执行关机的操作，然后 LCD 界面输出关机提示，用户看到 LCD 已经提示关机了，这时就松开按键，这时整个系统就断电了。