如何基于CPLD的電池供電系統(tǒng)斷電電路的設(shè)計？

今天，大多數(shù)的CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)都采用可減少功耗的工作模式，但當(dāng)系統(tǒng)未使用時，應(yīng)完全切斷電源以保存電池能量，從而實(shí)現(xiàn)很多設(shè)計者的終極節(jié)能目標(biāo)。圖1描述了如何在一片CPLD 上增加幾只分立元件，實(shí)現(xiàn)一個節(jié)省電池能量的系統(tǒng)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(gòu)成IC1 CPLD的一個電源控制開關(guān)。CPLD和開關(guān)矩陣控制著MOSFET的柵極，當(dāng)用戶按下一個開關(guān)時，在Q1上施加開關(guān)的偏壓。CPLD內(nèi)帶一個嵌入的計時器，用于監(jiān)控開關(guān)和系統(tǒng)的工作。當(dāng)系統(tǒng)處在一個特定的不工作周期內(nèi)時，計時器會去掉 MOSFET 的柵極驅(qū)動，使CPLD以及連接到MOSFET上的其它元器件斷電。

圖1 用幾只外接電元和內(nèi)部的邏輯塊，就可以使一個CPLD電路在預(yù)設(shè)間隔后切斷自身的電源

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(dāng)電源斷開時，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(dāng)切斷IC1電源時，它通過CPLD的斷電管腳建立一個對地的泄漏路徑。 EPM570T100帶有熱插保護(hù)，可將任何用戶可接觸器件的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腳電壓也不會達(dá)到FET的0.7V最小柵極閾值導(dǎo)通電壓。

按下任何開關(guān)都會通過開關(guān)的觸點(diǎn)以及相應(yīng)的二極管建立一個電流路徑，因此在R3上產(chǎn)生約2.3V的柵源偏壓，這個電壓足以在約100ms時間內(nèi)使Q1導(dǎo)通，并為IC1供電。當(dāng)激活機(jī)械開關(guān)時，它們的最小導(dǎo)通時間至少為3ms，而一個典型的操作員的按/放時間至少要30ms。由于人的響應(yīng)時間相對較慢，在操作者松開開關(guān)以前，CPLD可以完成導(dǎo)通、復(fù)位內(nèi)部電路，并將使Q1導(dǎo)通的斷電管腳維持在邏輯零狀態(tài)。

除了用戶設(shè)定的應(yīng)用邏輯以外(圖中未畫)，CPLD的電源控制邏輯增加了一對標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的庫宏電路，它由Altera的Quartus II開發(fā)工具生成。內(nèi)部的4.4MHz±25%振蕩器Altufm_osc驅(qū)動一個模塊化44 million LPM(庫參數(shù)化模塊)計數(shù)器。CPLD應(yīng)用邏輯產(chǎn)生的邏輯低電平信號或關(guān)閉任何開關(guān)時都會使計數(shù)器復(fù)位。當(dāng)復(fù)位計數(shù)器時，它的執(zhí)行信號變低，驅(qū)動外接的斷電管腳。當(dāng)去掉復(fù)位時，反相的執(zhí)行信號會重新開始 LPM 計數(shù)器的運(yùn)行。

如果所有開關(guān)均為開，應(yīng)用邏輯為不工作狀態(tài)，則計數(shù)器在約10秒內(nèi)計數(shù)到4400萬，然后內(nèi)部執(zhí)行信號變高電平，關(guān)斷計數(shù)器，并保持執(zhí)行信號為高電平。接下來，斷電管腳向VCC爬升，當(dāng)斷電管腳電壓達(dá)到2.3V時關(guān)斷Q1。關(guān)斷CPLD的電源會使斷電管腳進(jìn)入三態(tài)(或不連接)模式，而R3使Q1保持關(guān)斷。

用戶可以使用符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的命令，用一根下載電纜連接到一個廠家定義的10腳插頭上，對EPM570-T100進(jìn)行配置。該過程需要在配置前、中、后按一個外接的開關(guān)，以保證CPLD能在配置過程中獲得電源。可以通過改變計數(shù)器的模塊，將不工作時間設(shè)置為任何需要的值。雖然電源、地和JTAG信號都使用專用的器件管腳，但也可以將任何通用CPLD I/O腳設(shè)定為開關(guān)輸入和斷電輸出。

如果你的應(yīng)用需要一個按鍵開關(guān)矩陣，則可以用n個二極管搭成一個nxm開關(guān)，進(jìn)行有效的上電檢測(圖2)。在本例中，一排排開關(guān)通過二極管D1~D4連接到MOSFET的柵極。電阻R8~R11為每行開關(guān)提供一個對地通路，并只在開關(guān)閉合時承載電流，使行輸入為低電平，同時保證只消耗最小的電源電流。

圖2 一個小鍵盤矩陣可拓展CPLD電路的控制功能，并保留電路的自動斷電功能

當(dāng)用戶按壓任一開關(guān)時，Q1的柵極為低電平，CPLD接通。在用戶釋放開關(guān)以前，一個快速的CPLD上電例程，掃描開關(guān)陣列的各行和各排，以確定用戶按下的是哪個開關(guān)。并且重置信號復(fù)位LPM計數(shù)器的不工作定時器。