外置USB與內(nèi)置鋰電池供電自動(dòng)切換電路?|?經(jīng)典電路必須掌握

時(shí)間：2021-09-10 16:36:57

關(guān)鍵字：鋰電池供電切換電路自動(dòng)切換

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[導(dǎo)讀]▲本文要分析的電路很多內(nèi)置有鋰電池的便攜電子設(shè)備，比如手機(jī)，通常采用這樣的供電方式：沒有插入U(xiǎn)SB電源時(shí)，使用內(nèi)置的鋰電池供電。當(dāng)插入U(xiǎn)SB電源時(shí)，切換為由外置的USB電源供電，并對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。下圖電路就是實(shí)現(xiàn)上述的功能，它來自一款電子書閱讀器（Kindle同類產(chǎn)品）：這是已...

▲ 本文要分析的電路很多內(nèi)置有鋰電池的便攜電子設(shè)備，比如手機(jī)，通常采用這樣的供電方式：

沒有插入U(xiǎn)SB電源時(shí)，使用內(nèi)置的鋰電池供電。
當(dāng)插入U(xiǎn)SB電源時(shí)，切換為由外置的USB電源供電，并對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。

下圖電路就是實(shí)現(xiàn)上述的功能，它來自一款電子書閱讀器（Kindle同類產(chǎn)品）：這是已量產(chǎn)的電路，成熟穩(wěn)定，實(shí)物電路板如下圖所示，幾個(gè)關(guān)鍵的元器件做了標(biāo)注：
本文要講解的是“外置USB供電與內(nèi)置鋰電池供電的自動(dòng)切換電路”，所以先把上述電路中不相關(guān)的電路隱藏。也就是隱藏鋰電池充電管理、電源濾波等電路：隱藏后變成這樣：
這一下子，電路變得好簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)電源切換的功能，竟然只需要一個(gè)二極管、一個(gè)MOS管、一個(gè)電阻！一、電路說明將上述的“外置USB供電與內(nèi)置鋰電池供電自動(dòng)切換電路”整理一下，弄好看點(diǎn)：功能邏輯是這樣的：

當(dāng)插著USB電源時(shí)，由外置的USB電源供電，即VBUS對(duì)VOUT供電。
當(dāng)拔掉USB電源時(shí)，切換為由內(nèi)置的鋰電池供電，即VBAT對(duì)VOUT供電。
當(dāng)重新插入U(xiǎn)SB電源時(shí)，切換為由外置的USB電源供電，即VBUS對(duì)VOUT供電。

二、原理分析假設(shè)VBUS的電壓為5V，VBAT的電壓為3.7V，下面開始分析。1、當(dāng)插著USB電源時(shí)：VBUS通過肖特基二極管D9到達(dá)VOUT。肖特基二極管的導(dǎo)通壓降約為0.3V，USB電壓VBUS = 5V，所以：VOUT = 5V - 0.3V = 4.7V由于VBAT為3.7V，MOS管Q4的s極為4.7V，g極為5V，由此可知：Vgs = 5V - 4.7V = 0.3V > 0所以MOS管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，同時(shí)其體二極管也是反向截止。由于電阻R155的存在，會(huì)浪費(fèi)一些功耗，流過R155的電流為：5V / 10Kohm = 0.5mA2、當(dāng)拔掉USB電源時(shí)：VBUS的電壓會(huì)從5V開始往下降，電阻R155起到給VBUS放電的作用。VBUS的電壓需要快速下降，因?yàn)槿绻陆德?，?huì)導(dǎo)致MOS管Q4打開變慢，也就不能很快地切換為電池VBAT供電。如下圖，假設(shè)VBUS緩慢下降到4.9V，即MOS管Q4的g極為4.9V。電池電壓VBAT通過MOS管Q4的體二極管后降低了約0.7V，變?yōu)?V，即MOS管的Vgs電壓為：4.9V - 3V = 1.9V > 0MOS管仍然不導(dǎo)通，VOUT的供電沒有完全切換為VBAT。假設(shè)VBUS已經(jīng)下降為1V，如下圖。則Vgs = 1V - 3V = -2V，MOS管已經(jīng)逐漸打開。最終，VBUS會(huì)降到0V，MOS管也會(huì)完全打開，VOUT切換為用VBAT供電，VOUT電壓變?yōu)?.7V：VBUS接的濾波電容會(huì)令其電壓下降緩慢，如果發(fā)現(xiàn)VBUS的電壓下降過慢，可以減小R155的阻值。但是這樣會(huì)導(dǎo)致在插入U(xiǎn)SB電源時(shí)，流過R155的電流變大，增加了無謂的功耗。所以R155的阻值不能過大也不能過小，需根據(jù)實(shí)際調(diào)試的效果來決定。3、當(dāng)重新插入U(xiǎn)SB電源時(shí)：如下圖，MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0，MOS管不導(dǎo)通，并且其體二極管也是反向偏置。VOUT切換為用VBUS供電，Vout電壓變?yōu)?.7V。三、性能提升在拔掉USB電源的瞬間，有沒有可能MOS管Q4來不及打開，導(dǎo)致VBAT的電壓沒有及時(shí)切過來？是有可能的。MOS管Q4沒有快速打開，VBAT供電不能及時(shí)續(xù)上來，會(huì)導(dǎo)致VOUT電壓下降過多，VOUT的負(fù)載電路就可能工作異常。如果電路的負(fù)載較重，拉取的電流較大，尤其容易出現(xiàn)在供電電源切換時(shí)VOUT電壓下降過多的問題。怎么辦呢？

可以加快MOS管打開導(dǎo)通的速度。方法是減小VBUS的濾波電容的容值，減小電阻R155的阻值，這都是讓VBUS快速掉電，從而讓Vgs快點(diǎn)到達(dá)令MOS管完全打開的電壓。
在VOUT增加濾波電容，但是效果不怎么明顯。
這是重點(diǎn)！可以給MOS管并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管D1，如下圖所示：

該肖特基二極管D1的正向?qū)▔航导s為0.3V，比MOS管的體二極管要小。在MOS管完全打開之前，VBAT通過肖特基二極管D1對(duì)VOUT進(jìn)行供電，可以緩解VOUT電壓下降過多的問題。這個(gè)方法非常實(shí)用，該電路與方法已經(jīng)被申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。其實(shí)很多再普通不過的電路都被申請(qǐng)了實(shí)用新型專利，盡管這些電路被大眾長(zhǎng)期使用在先，具體就不展開了。四、應(yīng)用案例除了上述的電子書閱讀器有應(yīng)用之外，還有大量的產(chǎn)品使用了這個(gè)切換電路。比如MicroPython領(lǐng)域著名的01Studio公司，其出品的多款開發(fā)板都有這個(gè)切換電路。以其中的一款型號(hào)為“pyWiFi-ESP32”的開發(fā)板舉例，其電源部分的電路圖如下：其中，電源切換相關(guān)的電路在這里：標(biāo)注對(duì)應(yīng)的實(shí)物圖：