MOS管实现的STC自动下载电路

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三极管配合 PMOS 管控制电路开关

STC MCU在烧录时, 需要断电重置后才能进入烧录状态, 通常是用手按开关比较繁琐. 如果利用STC-ISP在烧录开始时会拉低RTS的特性, 可以实现烧录开始时自动断电复位.

电路仿真测试

下面的电路适用于烧录下载STC MCU. 使用LTspice模拟. V2 为方波, 电压[0, 3.3V], 宽度1.5s

以下为模拟输出, 绿色为三极管基极电压, 红色为MOS管栅极(Gate)电压, 蓝色为负载(R1)两端电压.

对电路中元件的说明:

  • V2: 用于模拟开关的通断, MCU的高低电平
  • C1: 这个电容用于短时拉低三极管基极电压, 关闭三极管. C1值取值在1uF - 4.7uF之间, 值越小输出的截止时间越短, 值越大截止时间越长
  • C2: 是为了压制方波上行时造成的高电平毛刺, 同时可以消除输入时的低电压毛刺(1ms ~ 3ms宽度), 取值 3uF~6uF, 图中的数值有误
  • R4: 延长C1的充放电时间, 不能太小, 太小的话方波上升沿对C1叠加的电压太高会造成输出截止, 也不能太大, 太大的话输出截止时间太短, 最后可能就完全没有截止动作, 取值在 3K~8K 之间
  • R3: 为了给三极管基极提供电压使其导通
  • R2和R6: 用于三极管限流和分压, 如果V1和V2没有压差, R6可以不要. 但是当V2小于V1时, 需要用R6将三极管的基极电压往上抬一点, 否则V2的下降沿会产生比较高的负电压.
  • R1: 模拟负载

电路的工作原理:

  • 稳定工作时, 因为C1等价于断路, 所以三极管的基极电压为正, 三极管导通, 电流在R2和R6之间产生的分压, 使得PMOS管栅极电压差不多是1/2的V1, 因为栅极(Gate)电压低于源极(Source), PMOS管导通
  • 当V2跳变为0V(可以等价为短路, 合上开关等), 电压突变时, C1视为通路, 立刻拉低三极管基极电压, 此时三极管断开, PMOS管栅极电压拉高到VCC, 因为与源极电压相等, PMOS管关闭
  • C1通过R3和R4充电后, 进入新的稳态, 等价于断路, 三极管的基极电压恢复为正, 三极管重新导通, R2和R6的分压再次拉低PMOS管栅极电压, PMOS管再次导通
  • 当V2再次跳变回3.3V, 电压突变时, C1视为通路, 正电压叠加到C1上在三极管基极产生高于V2的电压(模拟中如果R3, R4较小, 可能会高出V1, 高出V1会导致PMOS管截止, 这种情况要避免), 只要三极管基极电压不高于V1, PMOS会继续保持导通

电路中V2可以换成一个微动开关, 或者用RTS控制, 实现在通讯前拉低RTS重启MCU.

电路原型测试

使用面包板对上面的电路进行测试

  • MOS管使用SI2301, SOT23封装, 用一个SOT89的转接板凑合应付
  • 三极管使用SS8050
  • 因为没有2.2uF的电容, 暂时用一个4.7uF的电容代替
  • 负载用两颗LED方便演示
  • 用杜邦线手工切换高低电平

测试的情况:

  • 因为2.2uF换成了4.75uF导致反向的电动势增大, 所以在输入端高低电平为[0, 3.3V]时工作正常, 但是在[0, 5V], 从低电平跳到高电平时LED有一个明显的闪烁, 反向的毛刺太高导致了MOS管出现通断变化. 将R2减小为5K, 拉低栅极电压基准, 这样在[0, 3.3V]和[0, 5V]都工作正常了.
  • 同样电路, 仅替换SS8050为S9013, 运行结果一样.

测试视频: https://www.bilibili.com/video/BV19Y411F7CX

设计实际电路

电路图

注意: 图中的C2应当改为4.7uF, 可以避免Linux下CH340G开启串口拉低RTS的毛刺导致触发重启的问题

为兼容无RTS环境的烧录, 增加了一个开关

支持RTS的环境

由软件触发RTS拉低断电

  • CH340系列: STC-ISP本身支持得很好, 可以直接用RTS
  • CP2102: STC-ISP貌似对RTS没动作, 可以改用DTR, 这个pin在每次TTL开始传输前DTR都会有一个低电平, 也能触发自动重启
V    -> V, 
G    -> G, 
T    -> T, 
R    -> R, 
RTS  -> RTS或者DTR,

不支持RTS的环境

接线 V->V, G->G, T->T, R->R, RTS短接(图中的2和3), 按下轻触开关就可以触发RTS拉低断电

万能板实物

背面

SS8050和SI2301都是SOT23封装, 非常小, 直接贴在背面. 有两个电阻因为要穿过其它元件, 为节省位置也放在背面. 在测试正常后, 这一面就用热熔胶封上了.



正面

灯是从键盘上换下来的, 不是常用色. 分别对VCC和GND增加了4个排针, 方便平时使用.



连线

视频演示

视频中使用STC-ISP执行了三次Check, 可以看到有三次断电的过程
https://www.bilibili.com/video/BV1nr4y1x7Uq

打板贴片实物

在嘉立创上做了PCB, 电路上有一些修改

  • USB2TTL用的是CH340C, 省了一个晶振
  • TTL接口串联1N5819, 避免电流回灌, 串联R12和R13用于限流, R12可以用100R - 1KR, R13可以用470R - 4.7KR
  • 如果软件连接串口时会触发断电(MCU重启), 需要增大R19, 范围在4.7K - 30K之间

电路

正面

背面

Ubuntu20.04下CH341不断disconnect的问题

跟踪这个问题花了快一个月时间, 最后定位出来是 TLP 这个软件的问题, TLP是一个笔记本的电源管理软件, 软件网站. 详细的过程在沁恒社区上帖子链接. 对于bcdDevice=81.32的CH341设备会有冲突.

解决办法是将CH340设备ID加入USB_DENYLIST(20.04的tlp版本还是1.3.1, 配置为USB_BLACKLIST)后可以避免被disconnect:

$ sudo vi /etc/tlp.d/00-template.conf

# PARAM="value"
# 增加这行
USB_BLACKLIST="1a86:7523"

保存后, 等CH340下一次disconnect后再连上就会生效.

最后

对于几十到几百毫秒的断电, 用三极管配合MOS管比较简单, 如果需要一秒以上的断电, 可以考虑将前面部分换成NE555.

Update 2022-07-02: 在Linux下使用时, CH340G进行串口通信存在打开串口时RTS被拉低1ms的问题, 这样短暂的拉低也会触发下载器的重启, 将C2的容量增大到4.7uF可以避免这个问题.

posted on 2022-05-29 15:16  Milton  阅读(1476)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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