高可靠MCU负载开关电路设计过程

今天，我们来聊聊怎样设计一个高可靠的负载开关电路。从需求分析到原理实现，再到设计验证，stepbystep。

采用MCU来控制一个外部功率开关是一个非常常见的需求。比如MCU（以兆易创新GD32E231为例）用ADC检测电源输出电压，当出现异常情况的时候，需要快速切断输出进行保护。

这个需求很简单，一般是这样实现的——

（图1）

如图所示，Control电平控制Q1三极管的导通，继而控制Q2的导通，实现VCC输出到OUT。

这往往是最后一道防线，如果MCU死机或跑飞，导致控制失效，那么可能会造成后端烧毁的严重后果。有没有办法在MCU死机或者是跑飞的情况下，电路能实现高可靠性的自动的保护呢？

我们考虑，当MCU死机或跑飞的时候，电平是固定的。也正因此才会造成失控的情况。所以我们是否可以采用电平不固定的形式来作为MCU正常工作的标记呢？就跟有些LED指示灯一样，闪烁的时候代表正常。

也就是说，当上图的Control信号是方波的时候，代表正常，Q2导通。当Control为固定电平的时候，代表异常，Q2不导通。这样就能实现完善的保护了。

如何实现这个电路呢？

Q1、Q2的导通截至，还是需要固定电平来进行控制的。如果把（图1）的Control直接改成方波，那OUT输出也会变成方波。

（图2）

以图2为例，需要将Control连接的A点输入方波，在B点变成高电平,把高电平和低电平输入变成低电平。

首先，我们要解决A点输入高电平或低电平的时候，B点为低电平。什么形式的电路能解决这个问题呢？电容！

于是我们尝试这样的电路——

这样确实能解决高电平或低电平输入的时候，B点输出为低电平。

但方波输入的时候，问题仍然存在。

怎样在上述基础上，将方波变成高电平呢？可以利用电容积分电容。利用方波给电容充电，转化成直流电平。于是我们修改为以下电路——

但实测会发现，这样并不能解决问题。C2无法实现充电。原因是因为电流会从C1回流回去。那怎样解决回流问题呢？单向导通，那就是二极管呗。

实测发现，加上D2二极管之后，在B点测量没有办法达到预期的电压。这里实际输出是负压。所以必须提供一个回流通道。

于是再修改为——

除了增加D1之外，同时还调整了R2和R1的顺序和阻值，调整了C2的容值。阻值调整是为了减少电阻分流，使得电容充电更快。而R2同时还起到一个非常重要的作用是当A点输入为直流电平时，可以通过R2消耗C2上的能量，使得Q2关闭。

分享上图电路设计的部分元器件如下(点击查看详情)：

以上，这个电路就设计完成了。我们通过仿真可以看到——

绿色波形是A点输入波形，蓝色波形是Out输出波形。可以看到，上面的电路很好实现了需求。