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一、经典二极管切换电路
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一、经典二极管切换电路
这是最简单的电源切换电路二极管并联理论上支持无数个电源切换缺点是必然存在二极管的导通压降。为了降低压降一般选择肖特基二极管(最大0.3V压降) 1.1 工作原理
两个或者多个电源根据供电电压的高低自动选择哪边的电压高用哪边
1.2 注意事项
① 如果我们的系统是使用3.3V供电而3.3V供电需要由输入电源5V(USB/外界适配器)经过LDO或DCDC电路降压得到那时候使用哪种二极管都无所谓不care压降但需要留意用普通二极管(最大0.7V压降)时得选择低压差的LDO(超低压差可以达到100mV)
② 如果我们使用二极管切换电路做电池电源切换时可能会存在一些问题
电池电压有很多种比如4.2V、4.35V、4.4V聚合物锂电池2.0~3.65V磷酸铁锂电池2.6~4.2V 钴酸锂离子电池等。这时候普通二极管的0.7V压降显然不可以得选择肖特基二极管即使这样这个压降对于电池来说还是太浪费了。而且肖特基二极管的压降越低时它的反向漏电流越大这时候需要考虑到在电池端是否能够“忍受”这个反向电流的流入(大部分锂电池不能接受电流直接流入
1.3 适用场景
供电电源相近的场合供电电源为外接适配器USB等暂时不考虑电池供电是性价比最高的电路
二、经典MOS管切换电路
2.1 MOS管切换电路经典电路
5V电源和电池的场合使用一个MOS管作为备用电源(电池)开关的经典电路 使用这个电路有几点需要注意的地方
①注意PMOS管方向我们需要用PMOS管的体二极管来导通MOS管
②PMOS管的体二极管起到和二极管切换电路一样的作用防止在有VUSB的时候VUSB电压直接到了电池
③目前该电路只适用于VUSB≥VBat的情况当VBat-VSO-VUSBVgsth时Q1不管VUSB供没供电都会导通
2.2 工作原理
当VUSB有电PMOS管截止即便有体二极管电流流过但是因为VUSB会比 Vbat 电压高PMOS的|Vgs|Vgsth所以PMOS体二极管截止负载由 VUSB 供电 当VUSB没电|Vgs|VgsthPMOS导通负载由 VBat 供电
2.3 注意事项能否无缝自动切换
无缝自动切换指的是在有 VUSB 和 电池同时供电的情况下忽然去掉一个负载能否保持正常工作而不复位或者出异常。实际上大多情况都是去掉 VUSB 后能否切换至电源供电而不出问题。
关于这个问题其实是比较复杂的决定能否无缝自动切换的因数有很多一般在使用的时候都是根据自己的情况调整一些元器件使得能够实现无缝自动切换这里说明一些可能影响能否无缝自动切换的因数
①MOS管参数
我们知道MOS管有一个阈值电压阈值电压越小MOS管越容易导通。在MOS管选型的时候可以根据适当情况调整 ②上图R2电阻
在上图中MOS管的 G 极到 GND 有一个电阻R2, 这个R2的阻值越小MOS管导通速度越快。 但需要注意的是这个R2是一直在耗电的如果太小那么系统额外白白浪费的功耗就越多
③Vout端滤波电容
实际上Vout端如果有大一点的滤波电容电容可以储存一定的能量会使得无缝切换更加稳定
④Vin端电容
Vin端的电容实际上就是 VUSB 入口处的电容在上图中是没有的当然这里提出来也是说明不建议加因为加了VUSB的掉电更缓慢导致 PMOS 导通时间加长。原理同上面Vout的滤波电容一样
⑤负载功耗
负载功耗这个倒是我们无法改变的但是他确实会影响自动切换如果负载功耗太大那么是有可能会导致系统复位的。 反正就是负载功耗越大越容易在电源切换的时候出问题。 这时候一般来说可以试着增加 Vout 端的滤波电容大小
⑥MOS管并联一个肖特基二极管
肖特基二极管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
三、经典电路变种
3.1 二极管经典电路变种
该变种是二极管切换电路的变种比单纯的二极管切换电路略好(安全角度考虑)支持电源和电池切换 3.1.1 工作原理
这个电路理解起来很简单原理也是|Vgs|Vgsth时, PMOS管导通和二极管经典电路一样存在D1和D2的导通压降
3.2 MOS管经典电路变种1
由于MOS管经典电路一直存在二极管导通压降因此可以用一个MOS管代D1电路变成下面这样 3.2.1工作原理
typec口用来接入电源5V(5V/2A)当typec电源插入时5V首先经过Q13的内置二极管进入后级此时Q13G极接地USB_GND接到typec的1脚利用typec头的特性1脚和12脚相通并且接地从而Q13导通VOUT电压接近5V。Q12由于G极有5V电压从而截止电池通过Q12内部二极管进入后级又因为A点电压有5V所以电池不处于工作状态。typec电源去除时(插头拔出)Q13的G极悬空从而截止Q12的G极继而为0VQ12导通VOUT电压接近电池电压。这种电路与直接串接二极管D1相比能减少能量损耗
3.2.2 注意事项
①该电路优点相对于于经典电路没有D1的导通压降
②在做电源切换为电池时需要将电源插头拔出否则Q12的源极将会被拉到USB_GND同时电池通过Q12的MOS体二极管进行供电此时Q12不一定能导通压降相当大
③同样只适用于VUSB≥VBAT的情况 3.3 MOS管经典电路变种2 3.3.1 工作原理
Vin1 是主电源Vin2 是备用电源
理论当 Vin1 和 Vin2 都有电的时候会使用Vin1只要有 Vin1 Q1导通使得 Q2 的G极接地然后Q2也导通Q3的 G极连接 VIn1S极基本也是Vin1比Vin1小一点点几十mV所以Q3截止Vout 来自 Vin1。没有Vin1时Q3的G极被弱下拉至GND此时Q3导通Q1和Q2关闭Vout 来自 Vin2
3.3.2 注意事项
①该电路未被验证存在实际问题当把VIN1去掉时另一个电源VIN2通过Q3给到VOUT由于适配器拔掉的时候上面的MOS有一定的放电时间即Q2已经导通会造成VOUT反馈电压回到VIN1这段时间电池的电压就过去了会持续给电源输电同时造成Q1和Q2持续导通此时Q3的G极和S极压差极小寄生二极管压降导致Q3无法导通Vin2只能通过体二极管工作有烧Q3和Vin1电源的风险
②R1当Vin1供电时一直有电流处于发热状态Vin1能源被浪费了
③只使用于Vin1Vin2的场合当Vin2-VQ3OS-Vin1Vgsth时Q3会导通同时Q2也会导通会导致电源短路
3.4 MOS管经典电路变种3
该电路为MOS管经典电路变种2的改进增加一个NMOS避免3.3.2注意事项② 四、电源切换芯片
对于某些特除的场合也可以使用电源切换芯片电源切换芯片相对来说基本无压降但是相对来说电源切换芯片的成本太高了比如 LTC441x 系列
五、废话时间
1.目前看很多电源切换电路其MOS管都是工作在“半开状态”这样子是否会对MOS管寿命/温升有明显影响
2.参考触屏迷你电子负载 - 嘉立创EDA开源硬件平台 (oshwhub.com)电源切换电路
