简单电路实现给老主机（以PS1为例）改造轻触按键电源开关

ly63 · 发表于 2016-7-7 09:18:40

本帖最后由 ly63 于 2016-7-7 09:49 编辑

最近我的PS1主机电源开关坏了，按下无法弹出，不能关机...

准备更换一个，无奈在不破坏主机外观的前提下找不到合适的开关替换（找到的开关不是尺寸不合适就是手感差劲），看到旁边放着的PS2主机，突然想到：何不将PS1也改成轻触按键式的开关呢？这样一来就永远告别机械开关的损坏问题，有了想法就立即着手设计实现：

电路基本要求：
用开关管替代原来的机械开关实现主机的电源开闭，并不影响主机外观与电路性能。

首先是器件选择：

目前可以作为开关管的器件有：
BJT（双极型三极管）、MOSFET（场效应管）、Thyristor（晶闸管或者叫做可控硅）
Relay（继电器）、专用LoadSwitch集成电路、GTO（可关断晶闸管）、IGBT

以上几种器件中的一些由于以下原因不适合业余DIY：

Thyristor（晶闸管或者叫做可控硅）：
开启后无法关断，即便撤去控制极电压
GTO（可关断晶闸管）：
控制电路比较复杂、关断时漏电流较大...
Relay（继电器）：
体积大，控制电路耗电大，开关时有噪音、机械结构寿命短
IGBT：
导通压降大
专用LoadSwitch集成电路：
综合性能最好外围电路最简，但价格贵、不好采购、封装形式多为贴片（SON、BGA等封装形式），业余条件难以焊接。

以上几种器件符合业余DIY条件的有：
BJT（双极刑三极管）和MOSFET（场效应管）
在这两种器件中再筛选：
BJT器件由于Vce饱和电压降较大（大于等于0.2V），不适合低电压电路（比如3.3V或更低）开关用途，而且大功率三极管基极电流也不小，通常几十到几百毫安，并不适合逻辑电路直接驱动。

最后剩下的只有Mosfet（场效应管）了。

场效应管的特点是控制极输入阻抗极大，几乎不消耗电流，属于压控型器件，非常适合输出能力较弱的CMOS逻辑电路控制。
导通时只有导通电阻，不像BJT那样是电压降，选择较低导通电阻的场效应管可以用于低压直流电路的开关用途。

场效应管导通条件：
N-MOS：
在G极与S（源）极之间施加大于门极截至电压的正电压，D（漏极）和S（源极）即导通。
P-MOS：
在G极与S（源）极之间施加小于门极截至电压的负电压，S（源极）和D（漏极）即导通。

场效应管分为N沟道型和P沟道型，组成开关电路还分为高边开关(High side switch)和低边开关(low side switch),所以场效应管开关电路有以下4种形式：

那么如何选择场效应管的品种和电路拓扑形式呢？下面逐条来分析：
形式1：
N沟道场效应管高边开关：
在这种电路拓扑中，源极电位不固定，相应的符合开或关状态的门极电位也不固定，必须额外设计浮动的门极控制电平电路，这不符合DIY的最简原则，所以不选用。
形式2：
N沟道场效应管低边开关：
这种形式中控制电路最简单，由于源极接地，门极电平也就是固定的。
但是此电路并不适合多路供电的设备，原因如下：
多路供电设备（比如PS1，双电压供电7.8V和3.5V）供电电路中，GND为公共地，当开关管关断时，电源地与负载地不通，负载GND为浮动状态，就形成了高电压供电端像低压供电端反向供电的状况，此时低压端对于公共地的电位为Vlow-Vhigh，为负值，这会对电路中的器件造成损害！所以此方案也不可选。
形式3：
P沟道场效应管低边边开关：
类似形式1这种形式是效率最低的形式：控制电路复杂化、同尺寸的P沟道场效应管要比N沟道场效应管参数差，种类也少。所以这种形式在任何场合都是不适用的，没人会在实际电路中使用这种形式。
形式4：
P沟道场效应管高边开关：
这种形式与N沟道MOSFET低边开关时的控制电路一样简单，是最简单的方式。
也没有GND浮空的问题，这是此次改造中最理想的电路。

场效应管的选择：
一定要选极低导通电阻的场管，而且要求能够由逻辑电平驱动的（±5V或更低）。
为方便大家选型，我直接给出我用的型号（之前的查阅资料过程还是很累人的）：
7.8V端，可以原则导通电阻相对高一些（便宜一些）的场管，我选的是UBIQ公司（台湾）的QM3005DL，参数如下：
RdsON=最大0.025欧姆（Vgs=-4.5V）
最大漏极电流：-45A（TC=25°C）
导通电阻与VGS曲线：

3.5V端，这就得选择最高性能的场管了，我选的是英飞凌（Infineon）公司的IPD042P03L3 G，参数如下：
RDSON=最大0.0068欧姆（VGS=-4.5V）
最大漏极电流：-70A（TC=25°C）
导通电阻与VGS曲线：

以上场管封装都是TO-252。这导通电阻，也不差于直接导线连接了，跟机械开关无甚区别。我的万用表就那么短的粗线，短路测量时表笔线上的电阻都将近70豪欧了。
并不止这两种高性能场管可用，其它公司，比如ST、Fairychild、TI、ON Semei等等厂家都有高性能的Logic Level场效应管销售，各位选择空间还是很大的。

电路性能计算:
假定每路输出电流都为2A，那么开关管导通时的压降：
U=IXR
7.8V支路：U=2X0.025=0.05V，那么输出端负载得到的电压是7.8V-0.05V=7.75V满足最低需求7.5V的需要。
3.5V支路：U=2X0.0068=0.0136V，那么输出端负载得到的电压是3.5V-0.0136V=3.4864V，满足电路最低需求3.3V的需要。

场管升温计算：
假定每路输出电流都为2A，那么开关管导通时温升：
TO-252封装的RθJA热阻值为62°C/W，由于我们焊接场管时，与电路板铜箔接触面积很小，所以计算时只能取RθJA值（就是完全没有外界散热时的管芯对环境温度的热阻）。
温升=RθJA*Pd
Pd=I^2 X RdsON
TJ（芯片结温）=RθJA*Pd+TA
环境温度TA取40°C
7.8V支路：TJ=62*(2^2*0.025)+40=46.2°C，温升=6.2°C
3.5V支路：TJ=62*(2^2*0.0068)+40=41.6864°C，温升=1.6864°C
PS1主机的电源消耗为17W，开关电源拓扑为自激反激式开关电源，其效率为65%-85%，按效率85%计算，两路直流输出总功率为14.45W，实际电路耗电绝不可能达到2A的程度，所以上面的计算取的都是比较极端的数值，而且场管的导通电阻都是按照最大值计算，实际上都会低于最大值，真实场合导通压降和温升要远比上述计算结果低。
结论是整个电路无论从性能上和可靠性上都毫无问题。

控制电路的设计：
要实现单一按键切换高低不同电平输出，我们需要用到逻辑器件D类触发器来实现：
CMOS技术的CD4013集成电路（相同功能的HEF4013、TC4013等等都可以）。
为什么不用74系列的74HC74？
因为CMOS版本的可以使用高电源电压（最大输入电压18V），输出电平也高，这对MOFET的导通电阻有正面影响。对于P沟道MOSFET来说，与VCC电压一致的高电平输出才可以彻底关断场效应管（P-MOS用作高边开关而且在不重新设计控制电路的场合）。
电路图如下：

由于上电时逻辑电路的电平不确定，所以上面电路中加入了由R1和C1组成的简单的Reset电路：在系统上电过程中保证输出电平为确定状态。
在按键部分加入了由R3和C2组成的防止高速开关的延时保护电路，这样就能防止轻触开关失效时产生一次按键就导致多次开关状态切换的状况，保证一次按键产生一次电平翻转。
但是此电路不能应付轻触开关漏电的情况，此时控制失效，只能更换轻触开关。

此电路上电时的初始状态：
输出端Q=高电平，所以两只P沟道场效应管皆为关断状态。
但两只场效应管的门极电压却是不同的，当Q=高电平（7.8V）时，7.8V供电支路的场效应管的VGS=7.8V-7.8V=0V，为关断状态；3.5V供电支路的场效应管的VGS=7.8V-3.5V=+4.3V，同样为关断状态。

当按下开关S1后，D触发器的输出Q翻转为低电平（0V），此时两个场效应管的门极电平为0，那么7.8V支路的场管的VGS=0V-7.8V=-7.8V，为导通状态；3.5V支路的场管的VGS=0V-3.5V=-3.5V同为导通状态。
再次按下S1，输出再次翻转，实现电源的关闭。
电路设计完成，下面是准备器件：
器件清单：
面包版1块，能容纳下整个电路就好，不要太大，否则不好放在机壳内。
面包版1块,用于安装固定轻触开关。

220Ω电阻X1
4.7KΩ电阻X1
6.8KΩ电阻X1
1MΩ电阻X1
0.1μF电容X3
10uf 16V 电解电容X1
CD4013B（PDIP封装） X1
轻触开关 X 1

16mm高带螺丝孔铜柱 X2 用以固定安装轻触开关的电路板。

导线若干。

P沟道场效应管 X 2（对于7.8V支路，可以选用导通电阻稍高的场管，3.5V的要选最低的）

焊接好的电路板：
一共5根线：
输出信号（IC CD4013B的pin1到场管的门极）
输入信号线（轻触开关到IC CD4013的pin3）
轻触开关的另一极：GND。
2跟电源线：+7.8V VCC 和 GND。

再给电路板套上个绝缘套：

接着用万用表测试电路是否按照预期那样工作，无问题后进行下一步。

下一步，在主机开关下面钻2个孔，用以固定安装轻触开关的电路板，下面是完成图：

固定并焊接轻触开关板

这样将按钮装回去后不会露出改造痕迹，完全不破坏外观。

下一步，改造电源板，小心将场效应管焊接到电源输出和负载输入之间，如果空间不合适可以找合适的点用刀挂掉一部分阻焊漆上锡后再焊接。注意你身上的静电！！静电会击穿你的场效应管的门极，导致失效。在焊接之前要放掉身上的静电，并将烙铁头可靠接地。注意烙铁不要在场效应管上停留时间过久（超过10秒），否则场管可能过热损坏。

全部焊好后给后加的电路板找个位置：

先不要将游戏机主板排线插上，测试控制电路能否按照预期控制2个场管开、关，测试输出端电压是否正常。
全部OK后正式带载测试，电路完美工作。
实测7.8V负载端电压为7.8012V；3.5V支路负载端电压为3.5425V。两个场管导通压降可以完全忽略。

现在正式跟机械开关说再见了，改造大成功~
这种改造不仅可适用于PS1，还适用各种其它老主机电源开关的改造，比如FC、SFC、MD、PCE、Seaturn、DC等等一切使用机械开关的设备。
但更低的供电电压（比如1.8V）就不好办了，控制电路需要改进，不过现代的芯片才有1.8V供电的，这样的设备一般都没有机械开关呵呵。
更进一步设计，你可以在电路中加入单片机，实现遥控或定时开关机等等随你想象的各种控制方式。

最后来一张乱得一塌糊涂的“作案现场”照。

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wxs27 · 发表于 2016-7-7 13:46:04

费这个劲直接买台二手机器换了行了，才30元

001 · 发表于 2016-7-7 15:46:01

wxs27 发表于 2016-7-7 13:46
- h) S- Z4 o% |. G9 P& Q5 A费这个劲直接买台二手机器换了行了，才30元

神回复

sakuraasp · 发表于 2016-7-7 20:57:17

那个30元的PS1我都买了三台了...其中一台的光头居然是好的

小凤 · 发表于 2016-7-7 21:37:29

同意2楼说的。楼主这个太专业了，而且买这些原件再加上运费也差不多了，东西还没有运费贵，直接买台洋垃圾替换最省事。不过diy精神还是值得学习！

johnarcam · 发表于 2016-7-16 18:27:24

喔，技术贴，顶了

codystar · 发表于 2016-7-28 21:34:30

专业，技术非常到位，我们玩老主机不仅是为了怀旧游戏，更是享受diy的乐趣，所以diy就是玩老主机的亮点，楼主的改造精神和技术值得称赞。

sthlk01 · 发表于 2016-10-18 12:12:08

挺专业的，不过就一个开关弄的台复杂化了。

koferma · 发表于 2017-3-23 21:54:35

优利德61E的4位半精度速度怎么样拨盘手感好吗能不能单手操作胜利的太硬了

我觉得楼主要是在电路中加个扬声器开机时能发出PS3 PS4那种beep就可以显得特高端了哈哈

kaikai777 · 发表于 2018-9-29 19:05:38

大师啊，厉害，最近我打算使用示波器测试ps1光头情况，您弄过吗？想请教下

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