低功耗双稳态自锁按键电路及无线充电系统

技术领域

本申请属于电学领域，进一步涉及基于半导体器件的电子电路，具体提供一种低功耗双稳态自锁按键电路及应用该按键电路的无线充电系统。

背景技术

在对各种家用电器及工业电器进行控制的过程中，经常需要使用按键进行电路通断状态的切换，一种常见的切换方式是在每次按键按下后进行电路通断状态的切换，并在按键弹起后至再次按下前保持住该通断状态，这种按键也被成为自锁按键。自锁按键可以有多种形态，如采用机械结构的自锁按键以及采用电路控制的自锁按键电路。

目前常见的自锁按键电路主要通过可编程的芯片如MCU等实现，通过其与按键触点等位置连接的引脚获取按键动作对应的电信号，并利用芯片中预先烧入的程序进行按键动作的逻辑判断，以实现自锁按键的功能。

然而，上述现有的自锁按键电路成本较高，且芯片本身需要供电电源以维持其正常工作的需要，尤其是将上述自锁按键电路应用于无线充电系统的电路控制时，由于充电接收端在发射端不工作时并不能为芯片供电，因此需要额外为芯片配备电池等辅助电源，使得成本及功耗进一步增加。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种新型的双稳态自锁按键电路及包含该按键电路的无线充电系统。上述按键电路利用分离器件搭建，反应精确度及灵敏度高，器件成本低，且无需单独提供供电电源，不产生额外功耗。

本申请的第一方面提供一种低功耗双稳态自锁按键电路，包括按键、开关模块、驱动电容以及两个切换模块，所述按键在按下时连通两个分离的触点，所述开关模块串接于供电端与输出端的供电通路之间；

具体地，每个切换模块的第一端与另一个切换模块的使能端连接，并通过上拉电阻与供电端连接，以及每个切换模块的第二端与接地端连接，所述使能端用于控制切换模块的通断状态；每个切换模块的第一端分别与一个触点连接，其中一个切换模块的第一端与对应的触点之间串接有分压电阻，且所述驱动电容串接于该触点与接地端之间；所述开关模块的使能端与其中一个切换模块的第一端连接，用于控制所述供电通路的通断状态。

优选地，所述分压电阻的阻值远大于所述上拉电阻的阻值。

优选地，所述低功耗双稳态自锁按键电路还包括限流电阻，所述限流电阻串接于不与驱动电容连接的触点以及与该触点连接的切换模块的第一端之间。

优选地，所述上拉电阻的阻值远大于所述电流电阻的阻值。

优选地，所述驱动电容的容值范围为[4.7nF,27nF]。

优选地，所述切换模块为NMOS管，其G极为使能端，D极为第一端，S极为第二端；以及所述开关模块为PMOS管，其G极为使能端，D极为第一端，S极为第二端。

本申请的第二方面提供一种无线充电系统，包括无线充电发送电路、无线充电接收电路以及按键自锁电路；

所述无线充电接收电路通过能量耦合将无线充电发射电路发射的电磁波转换为供电端的电信号，并通过输出端为负载充电；所述按键自锁电路为上述低功耗双稳态自锁按键电路，连接于所述无线充电接收电路或无线充电发射电路中，。

优选地，所述无线充电接收电路的供电端与接地端之间还串接有LED灯，用于显示所述无线充电接收电路的充电状态。

相较于现有的各类按键电路，本申请的技术方案至少具有以下有益效果：

本申请所提供的低功耗双稳态自锁按键电路，通过将两个高电平导通的切换模块的使能端及第一端互相循环地连接，使其通断状态始终反相；再通过驱动电容在每次按键按下时为其中一个切换模块提供状态切换的“驱动信号”；并通过分压电阻进行驱动电容两端电位的隔离，使按键电路在每次状态切换后，均能够锁定在稳态；

同时，使用低电平导通的开关模块控制用电电路的通断状态，使得在供电端的重新上电过程时，该按键电路均保持在稳定的断路状态，避免上电过程中用电电路被误接通的问题；

此外，该按键电路可以与供电端共用电源，且即使供电端掉电后重新上电，仍能保证正常工作，因此无需额外的供电电源，进一步降低了功耗，并大大拓展了应用领域。

附图说明

图1为根据本申请实施例提供的低功耗双稳态自锁按键电路的应用场景示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的低功耗双稳态自锁按键电路的电路原理图；

图3为根据本申请的另一些实施例提供的低功耗双稳态自锁按键电路的电路原理图；

图4为根据本申请实施例提供的低功耗双稳态自锁按键电路的具体电路图；

图5为根据本申请实施例提供的无线充电系统的电路图。

图中标号

10：按键，11：第一切换模块，111：第一上拉电阻，12：第二切换模块，121：第二上拉电阻，13：开关模块，21：驱动电容，22：分压电阻，23：限流电阻。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。

此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。

单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。

在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。

本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例的第一方面提供一种低功耗双稳态自锁按键电路，图1为该按键电路的一种实际应用场景示意图，如图1所示，本申请实施例提供的低功耗双稳态自锁按键电路可以用于控制供电端VDD与输出端OUTPUT之间的电路通断状态，其中，输出端OUTPUT用于为其连接的负载供电。此外，本领域技术人员也可以根据实际需要将其应用于控制其他类型电路的通断状态上。

图2示出了根据本申请的一些优选的实施例的低功耗双稳态自锁按键电路的电路原理图，如图2所示，该按键电路包括按键10、第一切换模块11、第二切换模块12、开关模块13、驱动电容21以及分压电阻22。

具体地，如图2所示，按键10在按下时连接两个分离的触点a1及a2，对于本申请所提供的按键电路，本领域技术人员应当知晓，此处及下文所提及的连接均为电连接。

在实际的电路元器件选型过程中，本领域技术人员可以根据具体设计需求选用合适类型的按键10，如微触按键、机械式按键、触摸式按键等。

具体地，如图2所示，第一切换模块11的第一端b1通过第一上拉电阻111与供电端VDD连接，第二端b2与接地端GND连接；同时，第二切换模块12的第一端c2通过第二上拉电阻121与供电端VDD连接，第二端c2与接地端连接。

具体地，如图2所示，第一切换模块11的第一端b1还与第二切换模块12的使能端c3连接，使能端c3用于控制第二切换模块12的通断状态，同时，第二切换模块12的第一端c1还与第一切换模块11的使能端b3连接，使能端b3用于控制第一切换模块11的通断状态。其中，在本申请的实施例中，当第一切换模块11的使能端b3处于高电平时，其第一端b1与第二端b2导通，反之，其第一端b1与第二端b2断开；当第二切换模块12的使能端c3处于高电平时，其第一端c1与第二端c2导通，反之，其第一端c1与第二端c2断开。

具体地，如图2所示，第一切换模块11的第一端b1还与触点a1连接，第二切换模块12的第一端c1还与触点a2连接；同时，分压电阻22串接于第一切换模块11的第一端b1与其连接的触点a1之间，并且驱动电容21串接于该触点a1与接地端GND之间。

在一些优选的实施例中，第一切换模块11可以选用NMOS管，其G极、D极与S极分别对应用于使能端b3、第一端b1以及第二端b2；在另一些优选的实施例中，第一切换模块11也可以选用NPN型三极管，其基极、集电极与发射极分别对应于使能端b3、第一端b1以及第二端b2；类似地，第二切换模块12也可以选用NMOS管或NPN型三极管，其各个端点之间的对应关系与第一切换模块11相同，在此不再赘述。

具体地，如图2所示，开关模块13串接于供电端VDD与输出端OUTPUT的供电通路之间，其使能端d3与第二切换模块12的第一端c1连接，用于控制供电端VDD与输出端OUTPUT之间的供电通路的通断状态。其中，在本申请的实施例中，开关模块13的第一端d1与供电端VDD连接，第二端d2与输出端连接，当开关模块13的使能端d3处于低电平时，其第一端d1与第二端d2导通，反之，其第一端d1与第二端d2断开。

在一些优选的实施例中，开关模块13可以选用PMOS管，其G极、S极与D极分别对应于使能端d3，第一端d1以及第二端d2；在另一些优选的实施例中，开关模块13也可以选用PNP型三极管，其基极、发射极与集电极分别对应于使能端d3、第一端d1以及第二端d2。

以下结合图2所示的电路原理图对该低功耗双稳态自锁按键电路的工作原理进行说明。如图2所示，本申请提供的低功耗双稳态自锁按键电路用于对各种类型的用电电路(即图2中供电端VDD与输出端OUTPUT之间的电路)进行通断状态的切换控制，其中，按键10每次按下后，用电电路的通断状态进行一次切换，并在按键10弹起以后保持切换后的通断状态，直至下一次按键10再次按下。同时，如图2所示，在实际的使用过程中，该按键电路中为各个模块进行供电的电源与用电电路的供电共用电源，且共用电源可能出现关闭\掉电以及重新开启\上电的各种情况。因此，有必要保证该按键电路在共用电源、使用独立电源等各种状况下均不会出现用电电路通断状态误切换的现象。

首先对图2中供电端VDD处于持续供电状态下该按键电路的工作情况进行说明：

1.设初始时刻为T0，该T0时刻按键10保持弹起状态，且该T0时刻第一切换模块11的第一端b1为低电平，b1与第二切换模块12的使能端c3连接，进而控制第二切换模块12截止，使其第一端c1保持高电平，由于c1与开关模块13的使能端d3连接，因此开关模块13在高电平的使能端d3控制下保持截止，此时用电电路为断路状态；

同时，由于c1也与b3极连接，且在按键10弹起状态下a2不与a1连通，使得第一切换模块11在高电平的b3控制下保持导通，从而使b1始终保持低电平，且由于按键10为弹起状态，驱动电容21的上端电平被b1拉低，此时整个按键电路处于b1为低电平、c1为高电平的稳态，并保持用电电路为断路稳态。

2.T1时刻按键10被按下直到T2时刻松开弹起，在T1～T2期间两个触点a1、a2被接通，由于驱动电容21两端均为低电平，在按键被按下的瞬间，其上端低电平接到b3，b3瞬间变成低电平并导致第一切换模块11截止，b1切换为高电平，并通过c3控制第二切换模块12导通，进一步使得c1切换为低电平，并通过d3控制开关模块13导通，从而使用电电路切换为通路状态；

需要说明的是，在按键本次被按下期间，由于a1、a2连通，使得驱动电容21的上端持续被c1拉低，但由于分压电阻22的存在，使得b1保持高电平，从而在按键被按下的T1～T2期间保持b1为高电平，c1为低电平的稳态，并保持用电电路为通路稳态。

3.T2时刻按键10被松开后弹起，直到T3时刻再次被按下。按键被弹起后a1及a2不再连通，供电端VDD通过上拉电阻111及分压电阻22对驱动电容21的上端充电，直到驱动电容21两端的压差为R

同时，由于c1也与b3极连接，且在按键10弹起状态下a2不与a1连通，使得第一切换模块11在低电平的b3控制下保持导通，从而使b1始终保持高电平，且由于按键10为弹起状态，驱动电容21两端始终保持R

4.T3时刻按键再次被按下，直到T4时刻再次被松开弹起。在T3～T4期间两个触点a1、a2被接通，接通瞬间驱动电容21将b3拉至高电平，使第一切换模块11导通，b1切换为低电平，并通过c3控制第二切换模块12截止，进一步使得c1变为高电平，并通过d3控制开关模块13截止，从而使用电电路切换为断路状态；

需要说明的是，在按键10本次被按下期间，由于a1、a2连通，使得驱动电容21的上端持续被c1拉高，但由于分压电阻22的存在，使得b1保持低电平，从而在按键10被按下的T3～T4期间保持b1为低电平，c1为高电平的稳态，并保持用电电路为断路稳态。

5.T4时刻时起电路状态即与T0时刻完全相同，此后按键10的各次按下弹起过程均为T0～T4的循环，在此不再赘述。

其次，对图2中供电端VDD在掉电后重新上电时该按键电路的工作情况进行说明。如上文所述，本申请提供的低功耗双稳态自锁按键电路可能应用于各类用电电路的控制中，例如，当本申请的按键电路用于控制无线充电系统的充电接收电路时，由于可能存在充电发射电路未进行发射的情况，此时供电端VDD电压为0，直到充电发射电路再次工作时，供电端VDD才重新上电。在此情况下，按键电路需要保证重新上电过程中使开关模块13锁定在截止状态，从而保证用电电路维持在断路稳态。

如图2所示，在供电端VDD重新上电的过程中，电流经过第一上拉电阻111和分压电阻22为驱动电容21充电，然而由于同时VDD通过第二上拉电阻121将b3切换为高电平，使得第一切换模块11导通，导致b1切换为低电平，从而将驱动电容21上端电压重新拉低，并使第二切换模块12截止，进一步使c1切换为高电平，从而通过d3使开关模块13截止，使用电电路进入与T0时刻相同的断路稳态。

由此可见，本申请所提供的低功耗双稳态自锁按键电路，通过将两个高电平导通的切换模块的使能端及第一端互相循环地连接，使其通断状态始终反相；通过驱动电容21在每次按键按下时为其中一个切换模块提供状态切换的“驱动信号”；通过分压电阻22进行驱动电容两端电位的隔离，使按键电路在每次状态切换后，均能够锁定在稳态。同时，使用低电平导通的开关模块13控制用电电路的通断状态，使得在供电端VDD的重新上电过程时，该按键电路均保持在稳定的断路状态，避免上电过程中用电电路被误接通的问题。

此外，由于该按键电路可以与供电端VDD共用电源，且即使供电端掉电后重新上电，仍能保证正常工作，因此无需额外的供电电源，进一步降低了功耗，并大大拓展了应用领域。

进一步地，在一些优选的实施例中，分压电阻22的阻值远大于第一上拉电阻111以及第二上拉电阻121的阻值。例如，在一些实施例中，分压电阻22的阻值与第一上拉电阻111以及第二上拉电阻121的阻值之比均大于等于10。将分压电阻22的阻值设置为远大于上拉电阻的阻值，使得驱动电容21充电后的电位与供电端VDD的电位接近，且在a1、a2接通时保证分压电阻22两端的电位差，较好地保证了该按键电路的稳定性。

进一步地，为保证电路的稳定，如图2所示，该按键电路还包括限流电阻23，限流电阻23串接于第二切换模块12的第一端c1以及与其连接的触点a2之间。在一些优选的实施例中，第一上拉电阻111与第二上拉电阻121的阻值远大于限流电阻23的阻值。例如，在一些实施例中，第一上拉电阻111以及第二上拉电阻121的阻值与限流电阻23的阻值之比均大于等于10。

此外，对于驱动电容21，其容值大小也将影响到按键电路的性能，如容值过小，可能无法驱动切换模块的使能端进行状态切换，如容值过大，则可能降低灵敏度，造成无法迅速地响应按键按下动作的问题。为此，在一些优选的实施例中，驱动电容21的容值范围为[4.7nF,27nF]。在一些优选的实施例中，驱动电容的容值设置为10nF，以保证在驱动能力及切换灵敏度方面取得最优的平衡。

图3示出了在一些实施例中，利用分立元器件所搭建的该低功耗双稳态自锁按键电路的具体电路图。

具体地，如图3所示，该自锁按键电路的按键10选用微触按键SW1；两个切换模块11、12分别为NMOS管Q2、Q3，选用型号为2N7002；开关模块13为PMOS管Q1，选用型号为SI2301；驱动电容21为C1，容值为10nF；分压电阻22为R4，阻值为10MΩ；两个上拉电阻111、121为R2、R3，阻值均为1MΩ；限流电阻23为R7，阻值为100KΩ。

具体地，如图3所示，Q2、Q3分别通过上拉电阻R2、R3连接5V电源，输出端为VIN。上述各个分立器件的具体连接方式以通过图2的电路原理图进行了详细说明，在此不再赘述。通过对该按键电路的实测，其实际工作功耗为4uA。

需要说明的是，图3所示的实施例中使用5V电源统一作为Q2、Q3的电源及输出端VIN的供电端，此外，在另一些实施例中，Q2、Q3的电源端也可以不与VIN的供电端连接，即该按键电路与其控制的用电电路采用不同电源供电。

需要说明的是，图2、图3所示的电路原理图及具体电路图为根据本申请的一种具体实施例所提供的各个模块及元器件的电路连接方式，然而，在不脱离本申请的技术思路的情况下，还可以有其他等效的电路连接方式，例如，图4示出了根据本申请的另一种具体实施例提供的按键电路的电路原理图，该实施例与图2所示的实施例的区别在于，驱动电容21及分压电阻22连接于触点a1与第二切换模块的第一端c1之间，并且在按键10每次按下并连通a1、a2时，为第二切换模块12的使能端c3提供一个用于状态切换的信号。由此可见，在本申请所提供的按键电路中，驱动电容21及分压电阻22构成的用于驱动电路进行状态切换的部分可以灵活地选择对第一切换模块11或第二切换模块12进行初始的驱动，进而利用两个切换模块的使能端之间的相互连接完成电路状态的切换及锁定。

本申请实施例的第二方面还提供一种无线充电系统，图5示出了根据本申请实施例的无线充电系统的电路图，如图5所示，该无线充电系统包括无线充电发送电路、无线充电接收电路以及按键自锁电路。

具体地，如图5所示，无线充电发送电路包括芯片XKT510及线圈L3，L3接于12V电源与XKT510的OUT端之间，用于将流过线圈L3的电流转换为无线发射的电磁波。在一些优选的实施例中，L3的线圈线径0.5mm，线圈外径38mm，内径30mm，线圈厚度1.8mm，线圈电感量30uH。

如图5所示，无线充电发送电路还包括电容C30、C31、C32，电阻R43、R44、R45，上述利用控制芯片及分立元件搭建无线充电发送电路的实施方式已为本领域技术人员所知晓，在此不再赘述。

具体地，如图5所示，无线充电接收电路包括芯片T3168、线圈L2、电感L1，L2接于芯片T3168的IN端与接地端之间，通过感应电磁波产生感应电动势，L1连接芯片3168的OUT端与输出端之间。在一些优选的实施例中，L2的线圈线径0.5mm，线圈外径38mm，内径30mm，线圈厚度1.8mm，线圈电感量30uH；L1采用与线圈匹配的22uH，封装为CD54。

如图5所示，无线充电接收电路还包括电容C4、C10、电阻R1及二极管D1、D3、D2、D4，上述利用控制芯片及分立元件搭建无线充电发送电路的实施方式已为本领域技术人员所知晓，在此不再赘述。

进一步地，如图5所示，在无线充电接收电路的供电端与接地端之间还串接有LED3，用于显示无线充电接收电路的充电状态。

具体地，如图5所示，在无线充电接收电路的5V供电端与输出端VIN之间连接有按键自锁电路，该按键自锁电路为本申请所提供的低功耗双稳态自锁按键电路，其实施方式及工作原理以在上文进行了详细说明，在此不再赘述。

以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。