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[導讀]▲本文要分析的電路很多內置有鋰電池的便攜電子設備,比如手機,通常采用這樣的供電方式:沒有插入USB電源時,使用內置的鋰電池供電。當插入USB電源時,切換為由外置的USB電源供電,并對鋰電池進行充電。下圖電路就是實現(xiàn)上述的功能,它來自一款電子書閱讀器(Kindle同類產品):這是已...

▲ 本文要分析的電路很多內置有鋰電池的便攜電子設備,比如手機,通常采用這樣的供電方式:
  1. 沒有插入USB電源時,使用內置的鋰電池供電
  2. 當插入USB電源時,切換為由外置的USB電源供電,并對鋰電池進行充電。
下圖電路就是實現(xiàn)上述的功能,它來自一款電子書閱讀器(Kindle同類產品):這是已量產的電路,成熟穩(wěn)定,實物電路板如下圖所示,幾個關鍵的元器件做了標注:
本文要講解的是“外置USB供電與內置鋰電池供電的自動切換電路”,所以先把上述電路中不相關的電路隱藏。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,電路變得好簡單,實現(xiàn)電源切換的功能,竟然只需要一個二極管、一個MOS管、一個電阻!一、電路說明將上述的“外置USB供電與內置鋰電池供電自動切換電路”整理一下,弄好看點:功能邏輯是這樣的:
  1. 當插著USB電源時,由外置的USB電源供電,即VBUS對VOUT供電。
  2. 當拔掉USB電源時,切換為由內置的鋰電池供電,即VBAT對VOUT供電。
  3. 當重新插入USB電源時,切換為由外置的USB電源供電,即VBUS對VOUT供電。
二、原理分析假設VBUS的電壓為5V,VBAT的電壓為3.7V,下面開始分析。1、當插著USB電源時:VBUS通過肖特基二極管D9到達VOUT。肖特基二極管的導通壓降約為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管處于不導通狀態(tài),同時其體二極管也是反向截止。由于電阻R155的存在,會浪費一些功耗,流過R155的電流為:5V / 10Kohm = 0.5mA2、當拔掉USB電源時:VBUS的電壓會從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,因為如果下降慢了,會導致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管仍然不導通,VOUT的供電沒有完全切換為VBAT。假設VBUS已經下降為1V,如下圖。則Vgs = 1V - 3V = -2V,MOS管已經逐漸打開。最終,VBUS會降到0V,MOS管也會完全打開,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。但是這樣會導致在插入USB電源時,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)實際調試的效果來決定。3、當重新插入USB電源時:如下圖,MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0,MOS管不導通,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,導致VBAT的電壓沒有及時切過來?是有可能的。MOS管Q4沒有快速打開,VBAT供電不能及時續(xù)上來,會導致VOUT電壓下降過多,VOUT的負載電路就可能工作異常。如果電路的負載較重,拉取的電流較大,尤其容易出現(xiàn)在供電電源切換時VOUT電壓下降過多的問題。怎么辦呢?
  1. 可以加快MOS管打開導通的速度。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快點到達令MOS管完全打開的電壓。
  2. 在VOUT增加濾波電容,但是效果不怎么明顯。
  3. 這是重點!可以給MOS管并聯(lián)一個肖特基二極管D1,如下圖所示:
該肖特基二極管D1的正向導通壓降約為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VOUT進行供電,可以緩解VOUT電壓下降過多的問題。這個方法非常實用,該電路與方法已經被申請了實用新型專利。其實很多再普通不過的電路都被申請了實用新型專利,盡管這些電路被大眾長期使用在先,具體就不展開了。四、應用案例除了上述的電子書閱讀器有應用之外,還有大量的產品使用了這個切換電路。比如MicroPython領域著名的01Studio公司,其出品的多款開發(fā)板都有這個切換電路。以其中的一款型號為“pyWiFi-ESP32”的開發(fā)板舉例,其電源部分的電路圖如下:其中,電源切換相關的電路在這里:標注對應的實物圖:

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