正文

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一、元器件选型

1、 P 沟道 mos 管

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2、 22uF 电容

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 3、47k 电阻

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 4、10Ω电阻

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 5、10kΩ电阻

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二、原理图

 

2）有 RTS 的场景： 

RTS 是 Request to Send，用来告诉别的硬件我要发送数据的。这样可以让别的设备停下

来准备接数据，保证数据完整性。

3）CH340 系列芯片与常见硬件控制引脚

我们选择的 CH340N 芯片，设计 CH340 系列芯片中引脚最少的一个。CH340 系列的其

他型号主要是引入了不同的硬件控制流引脚，同学们在日后可以根据不同的需要选择不同的

芯片型号。

 

此处我们简单介绍一下含 RTS 的常见硬件流工作引脚：

（1）RTS（Request To Send）-发送请求：

这是发送设备用来告诉接收设备“我有数据要发送，请准备好接收”的信号。当发送设

备准备好数据发送时，它会将 RTS 信号设置为激活状态。

（2）CTS（Clear To Send）-清除发送：

这是接收设备用来回应发送设备“我已准备好接收数据，你可以发送了”的信号。只有

在接收设备将 CTS 信号设置为激活状态时，发送设备才开始数据传输。

（3）DTR（Data Terminal Ready）-数据终端就绪：

由发送设备用来指示其已准备好进行通信。

（4）DSR（Data Set Ready）-数据设备就绪：

由接收设备用来响应 DTR，表示它已准备好进行通信。

（5）CD（Carrier Detect）-载波检测：

有时候也叫 DCD（Data Carrier Detect），这个信号用于调制解调器通信，表明已经检

测到一个有效的传输信号。

（6）RI（Ring Indicator）-振铃指示：

这个信号在电话线调制解调器中使用，指示电话线上有来电信号。

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2、 自动冷启动电路的设计

 （1）设计目的

每次烧录程序都需要按两下开关，这实在是太不友好了，时间长了容易磨出茧子，因此

我们设计一个自动冷启动电路让 MCU 能够自动掉电再上电，保护我们的纤纤玉手。

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（2） 设计思路

现在，我们已经了解了 CH340N 的 RTS#引脚的工作逻辑，可以设计一个电路来捕捉

CH340N 的 RTS#引脚电平拉低的事件，并利用它去控制一个电子开关，从而控制 MCU 的

供电。

具体来说，该电路需要满足以下四个要点：

（1）这个电路要捕捉到 CH340N 的 RTS#引脚的电平拉低事件。

（2）捕捉到 CH340N 的 RTS#引脚电平拉低的事件。

（3）在捕获到电平拉低信号后，关闭电子开关，使 MCU 断电关机。

（4）在一个很小的间隔后，重新打开电子开关，使 MCU 上电开机。

嘉立创创建并维护了一个开源平台，名为 OSHWHub（Open Source Hardware Hub）。

在这个网站上，许多极客分享他们的硬件设计。通过该平台，我们可以参考许多优秀设计，

丰富自己的学习经验。

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（2）在 OSHWHUB 中寻找已有设计

我们可以在 OSHWHUB 中搜索 STC 冷启动等关键词，最终老师找到了下面这个开源

项目：

 

这位创客在 B 站上也有一个账号：SFR-小曾。

这是一个独立的 CH340 下载模块，这样的模块可以用于给许多不同的 STC 芯片下载程

序。而我们将 CH340 集成到了核心板上。

在这个项目中，包含了一个自动冷启动电路。我们可以在自己的项目中照搬大神设计的

电路。

 

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 4、自动冷启动电路的工作过程

原创作者已经在开源项目中详细讲解了整个电路的工作原理。现在，我们可以再次模拟

并解释这个电路的工作过程。

下图是我们在项目中照搬后结果：

 （1）输入、输出和控制

自动冷启动电路有 3 个对外连接的电，分别是 VIN_5V，这个地方再向上游是我们的

USB 供电，RTS 连接着 CH340N 的 RTS#引脚。VCC_SW 是自锁开关的上游，自锁开关紧

接着后面是 MCU。

 

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 （2）CH340N 空闲时

在不需要下载程序的时候，CH340N 的 RTS#会维持在高电平状态。你可以 MOS 管理解

为一个电子开关，自动冷启动电路中使用的 MOS 管均为 P 沟道 MOS 管，这种 MOS 管的

特点是当栅极的电平比源极低到一定程度时，MOS 管就会导通。如果栅极和源极的电压差

距很小那么就会切断电路。

 

 

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（3）CH340N 准备发送数据时

（1）当 CH340N 准备发送数据时，RTS#的电压从 5V 迅速降至 0V，此时左侧的 PMOS

导通。

（2）左侧 PMOS 导通后，22uF 的电容开始充电。由于之前电容是空的，所以刚开始充

电时电容相当于一根导线。

（3）流经左侧 PMOS 的 5V 电压通过 10Ω电阻直接抵达右侧 PMOS 的栅极，使其电压

非常接近 5V，从而使右侧 PMOS 关断。

（4）右侧 PMOS 一旦关闭，后面的 MCU 就断电了。

 

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（4）电容充电到一定程度时

（1）随着 22uF 电容的充电，它的阻抗逐渐增大，最终几乎变为开路

（2）此时，通过左侧 PMOS 导通的 5V 电压经过 47K 电阻分压后到达右侧 PMOS 的栅

极，右侧 PMOS 的栅极电压变为低电平。于是右侧 MOS 管导通，MCU 重新上电。

 

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 （5）CH340N 完成数据发送时

（1）当程序下载完成时，CH340N 进入空闲状态，此时 RTS#恢复至 5V，左侧 PMOS

的栅极电压和源极电压基本相等，导致左侧 PMOS 关闭。

（2）随着左侧 PMOS 的关闭，右侧的电容失去了电压源供电，并通过右侧的 47K 电阻

放电。

（3）左侧电路的变化对右侧 PMOS 栅极的电压没有影响，右侧 PMOS 的栅极电压仍然

保持低电平，PMOS 持续导通，MCU 继续有电源供应。

 

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 5、MOS 管的栅极为什么要串电阻

AO3401 作为一个 MOS 管，我们可以认为它的栅极是高阻态的。只对电压敏感，但是

这个位置我们为什么要串一个10Ω的电阻呢？这与MOS管内部的寄生电容以及寄生电感有

关。下面我们只做简单的说明。

（1）振铃效应

MOS 管的栅极具有一定的寄生电容，连接线和 MOS 管自身也会有一定的寄生电感。

如果栅极的连接上没有任何的阻尼，这些寄生的电气效应可能会组成一个 LC 震荡电路，从

而引起振铃现象，如下图所示：

因此，我们可以在 MOS 管的栅极去串联一个电阻，以此来削弱振铃效应。

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 （2）米勒平台

也是因为 MOS 管上的寄生电容，MOS 管的栅极在电平拉高或拉低时，会遇到一个平

台期，这个现象与米勒效应有关，因此也被称为米勒平台。下面是理想方波与带有米勒平台

的方波示意图。

理想的栅极电平切换：

带有米勒平台的栅极电平切换：

米勒平台对 MOS 管的影响是，它导致 MOS 管从开启转到闭合时的时间间隔延长。这

种半开半闭的 MOS 管能够通过一定的电流，同时又具有较高的阻值，因此如果平台期太长，

那么会导致 MOS 管的发热比较明显。

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 （3）电阻阻值怎么选

根据前面的内容，我们知道，栅极如果不串联任何电阻，MOS 管容易产生震荡。因此，

我们需要再栅极上串联一个电阻来避免这个现象的出现。但是，我们也不能串联太大的电阻，

这是因为随着我们串联电阻的阻值的升高，米勒平台会相应地延长。

栅极电阻越大米勒平台越长：

因此，我们不能无限制地在栅极串联过大的电阻。通常，在栅极上串联 10 到 100Ω的

电阻是一种常见做法，这不仅可以有效抑制振铃效应，还能防止过长的米勒平台导致的开关

延迟。在实践中，通常可以首选 10Ω的电阻。

 

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6、自锁开关还有没有必要保留

虽然我们有了自动冷启动电路，表面上看似不再需要通过自锁开关来手动冷启动，但实

际上我们目前的自动冷启动电路并不完美。

如果用户在电脑上快速点击两次下载，系统可能会卡住。原因是第二次下载时，电容还

没有完全放电。你可能会考虑通过调整电容的容值或 47K 电阻的阻值来缩短放电时间。然

而，这样做会导致电容的充电时间也相应缩短，从而使得 MCU 可能来不及完全放电，无法

重启并进入下载状态。

因此，保留自锁开关仍然是有必要的，这样可以在自动冷启动电路失效时提供另一种冷

启动的方法。

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 四、总结

根据提供的元器件选型和原理图内容，设计说明主要涉及到了P沟道MOS管、22uF电容、47k电阻、10Ω电阻、10kΩ电阻以及CH340N芯片的硬件控制流和自动冷启动电路设计等内容。

在设计说明中，设计了CH340N芯片与硬件控制流的相关内容，包括RTS#引脚功能、硬件流控制的作用和设计原理，以及自动冷启动电路的设计目的、设计思路和工作过程。此外，还提到了在开源社区中寻找已有设计的方法，以及关于MOS管栅极串联电阻的必要性和选择方法，同时也涉及到自锁开关的保留问题。

总的来说，设计说明涵盖了元器件选型、硬件控制流、自动冷启动电路设计和相关工作原理等多方面内容，为电路设计和实现提供了详细的指导和解释。