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外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路

硬件笔记本 2022-08-03 07:30
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▲ 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：


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