下文主要给大家深度的分析一下外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路,这是很多的便携电子设备常用的方案。

 


▲本文要分析的电路


很多内置有锂电池的便携电子设备,比如手机,通常采用这样的供电方式:

1、没有插入USB电源时,使用内置的锂电池供电。

2、当插入USB电源时,切换为由外置的USB电源供电,并对锂电池进行充电。

 

下图电路就是实现上述的功能,它来自一款电子书阅读器(Kindle同类产品):

 

 

这是已量产的电路,成熟稳定,实物电路板如下图所示,几个关键的元器件做了标注:

 

 

本文要讲解的是“外置USB供电与内置锂电池供电的自动切换电路”,所以先把上述电路中不相关的电路隐藏。

 

也就是隐藏锂电池充电管理、电源滤波等电路:

 

 

隐藏后变成这样:

 

 

这一下子,电路变得好简单,实现电源切换的功能,竟然只需要一个二极管、一个MOS管、一个电阻!

 

一、电路说明
将上述的“外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路”整理一下,弄好看点:

 

 

功能逻辑是这样的:

1、当插着USB电源时,由外置的USB电源供电,即VBUS对VOUT供电。

2、当拔掉USB电源时,切换为由内置的锂电池供电,即VBAT对VOUT供电。

3、当重新插入USB电源时,切换为由外置的USB电源供电,即VBUS对VOUT供电。

 

二、原理分析
假设VBUS的电压为5V,VBAT的电压为3.7V,下面开始分析。

 

1、当插着USB电源时:

VBUS通过肖特基二极管D9到达VOUT。

 

 

肖特基二极管的导通压降约为0.3V,USB电压VBUS=5V,所以:

VOUT=5V-0.3V=4.7V

 

由于VBAT为3.7V,MOS管Q4的s极为4.7V,g极为5V,由此可知:

Vgs=5V-4.7V=0.3V>0

 

所以MOS管处于不导通状态,同时其体二极管也是反向截止。

 

由于电阻R155的存在,会浪费一些功耗,流过R155的电流为:

5V/10Kohm=0.5mA

 

2、当拔掉USB电源时:

VBUS的电压会从5V开始往下降,电阻R155起到给VBUS放电的作用。

 

VBUS的电压需要快速下降,因为如果下降慢了,会导致MOS管Q4打开变慢,也就不能很快地切换为电池VBAT供电。

 

如下图,假设VBUS缓慢下降到4.9V,即MOS管Q4的g极为4.9V。电池电压VBAT通过MOS管Q4的体二极管后降低了约0.7V,变为3V,即MOS管的Vgs电压为:

4.9V-3V=1.9V>0

 

MOS管仍然不导通,VOUT的供电没有完全切换为VBAT。

 

 

假设VBUS已经下降为1V,如下图。

 

则Vgs=1V-3V=-2V,MOS管已经逐渐打开。

 

 

最终,VBUS会降到0V,MOS管也会完全打开,VOUT切换为用VBAT供电,VOUT电压变为3.7V:

 

 

VBUS接的滤波电容会令其电压下降缓慢,如果发现VBUS的电压下降过慢,可以减小R155的阻值

 

但是这样会导致在插入USB电源时,流过R155的电流变大,增加了无谓的功耗。

 

所以R155的阻值不能过大也不能过小,需根据实际调试的效果来决定。

 

3、当重新插入USB电源时:

如下图,MOS管Q4的Vgs=5V-4.7V>0,MOS管不导通,并且其体二极管也是反向偏置。

 

VOUT切换为用VBUS供电,Vout电压变为4.7V。

 

 

三、性能提升
在拔掉USB电源的瞬间,有没有可能MOS管Q4来不及打开,导致VBAT的电压没有及时切过来?

 

是有可能的。

 

MOS管Q4没有快速打开,VBAT供电不能及时续上来,会导致VOUT电压下降过多,VOUT的负载电路就可能工作异常。如果电路的负载较重,拉取的电流较大,尤其容易出现在供电电源切换时VOUT电压下降过多的问题。

 

怎么办呢?

1、可以加快MOS管打开导通的速度。方法是减小VBUS的滤波电容的容值,减小电阻R155的阻值,这都是让VBUS快速掉电,从而让Vgs快点到达令MOS管完全打开的电压。

 

2、在VOUT增加滤波电容,但是效果不怎么明显。

 

3、这是重点!可以给MOS管并联一个肖特基二极管D1,如下图所示:

 

 

该肖特基二极管D1的正向导通压降约为0.3V,比MOS管的体二极管要小。在MOS管完全打开之前,VBAT通过肖特基二极管D1对VOUT进行供电,可以缓解VOUT电压下降过多的问题。

 

这个方法非常实用,该电路与方法已经被申请了实用新型专利。其实很多再普通不过的电路都被申请了实用新型专利,尽管这些电路被大众长期使用在先,具体就不展开了。

 

四、应用案例
除了上述的电子书阅读器有应用之外,还有大量的产品使用了这个切换电路。

 

比如MicroPython领域著名的01Studio公司,其出品的多款开发板都有这个切换电路。

 

以其中的一款型号为“pyWiFi-ESP32”的开发板举例,其电源部分的电路图如下:

 

 

其中,电源切换相关的电路在这里:

 

 

标注对应的实物图: