外置和內(nèi)置電源切換
本文講解的是“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(shuō)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:
功能邏輯是這樣的:
1、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。
2、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。
3、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(kāi)始分析。
1、當(dāng)插著USB電源時(shí):
VBUS通過(guò)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(guò)R155的電流為:
5V / 10Kohm = 0.5mA
2、當(dāng)拔掉USB電源時(shí):
VBUS的電壓會(huì)從5V開(kāi)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(kāi)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(guò)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 > 0
MOS管仍然不導(dǎo)通,VOUT的供電沒(méi)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(kāi)。
最終,VBUS會(huì)降到0V,MOS管也會(huì)完全打開(kāi),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(guò)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(guò)R155的電流變大,增加了無(wú)謂的功耗。
所以R155的阻值不能過(guò)大也不能過(guò)小,需根據(jù)實(shí)際調(diào)試的效果來(lái)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(méi)有可能MOS管Q4來(lái)不及打開(kāi),導(dǎo)致VBAT的電壓沒(méi)有及時(shí)切過(guò)來(lái)?是有可能的。
MOS管Q4沒(méi)有快速打開(kāi),VBAT供電不能及時(shí)續(xù)上來(lái),會(huì)導(dǎo)致VOUT電壓下降過(guò)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(guò)多的問(wèn)題。怎么辦呢?
1、可以加快MOS管打開(kāi)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(kāi)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(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(kāi)之前,VBAT通過(guò)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(guò)多的問(wèn)題。
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