外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路,便携电子设备常用,经典电路必须掌握

原创 电路啊 2021-03-26 11:45

▲ 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:

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:


五、最后
本文应该是全网目前为止,讲这个电路讲得最“啰嗦”的一篇,不知会不会讲得太“干”了,不好消化。
欢迎点击左下角的“阅读原文”给我留言。
关于电路的学习,希望大家,enjoy!
电路啊 深入浅出讲解各种电子电路
评论
  • 2024年12月30日 调研咨询机构环洋市场咨询出版的《全球CPU渲染行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2024-2030》主要调研全球CPU渲染总体规模、主要地区及国家的市场规模、主要企业规模和份额、主要细分市场规模、下游主要应用规模以及未来发展前景预测。统计维度包括收入、市场份额以及增速。同时也重点分析全球市场主要厂商(品牌)包括企业简介、总部、产地、CPU渲染产品介绍、规格/型号、收入、毛利率及市场份额、最新发展动态、优势与不足。历史数据为2019至2023年,预测数据为2024
    GIRtina 2024-12-30 16:36 101浏览
  • 在半导体设计的复杂世界里,EDA(电子设计自动化,Electronic Design Automation)和 IP(知识产权,Intellectual Property)是两个极为重要的概念。它们虽然都服务于半导体设计流程,但在功能、性质和应用等方面存在显著差异。理解这些差异,对于深入了解半导体行业的运作至关重要。EDA:半导体设计的强大工具集EDA 是一系列软件工具的集合,旨在帮助工程师进行集成电路(IC)的设计、验证和制造。从最初的电路原理图设计,到复杂的芯片布局布线,再到最后的功能验证,
    Jeffreyzhang123 2024-12-30 14:26 76浏览
  • 近日,飞凌嵌入式为FET527N-C核心板适配了全新升级的Forlinx Desktop 22.04操作系统,为用户体验带来了诸多显著的提升——不仅能够享受到更加流畅、稳定的操作体验,还能充分利用Forlinx Desktop 22.04所提供的丰富功能与创新特性提升工作效率与应用兼容性。OK527N-C开发板运行Forlinx Desktop 22.041、系统与硬件双重赋能飞凌嵌入式FET527N-C核心板搭载全志T527N处理器,集成了8个ARM Cortex-A55高性能核,同时内置1个
    飞凌嵌入式 2024-12-30 14:00 47浏览
  • 从简单的照明工具到会说话的艺术品。认知总是不断地被刷新、升级。曾经,汽车内部的按键灯、内饰灯仿佛一盏盏小夜灯,那些光点,虽不起眼,却总能在黑夜中给予驾驶员和乘客陪伴和指引。但时代在变,人们对美好生活,包括车生活的追求也在升级。那些传统的光点,渐渐地,已经满足不了大众对驾驶体验的期待。让“上车”等于“回家”。至此,一场关于内饰照明的革命悄然兴起。1、从简单的照明工具到会说话的艺术品“内饰氛围灯的主要应用方向就是营造轻松舒适的氛围。”艾迈斯欧司朗高级系统方案工程师钟文帅还因此总结了内饰氛围灯的四大发
    艾迈斯欧司朗 2024-12-30 15:55 94浏览
  • C语言USB与SD的例程在接口类型、存储方式以及数据传输速度等方面存在区别,具体分析如下: 1. 接口类型   USB:USB(通用串行总线)是一种广泛使用的硬件接口标准,用于连接电脑与各种外围设备。USB协议支持多种数据传输模式,包括控制传输、中断传输、批量传输和同步传输。了解USB通信协议是开发任何USB相关软件的基础。    SD卡:SD卡(Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,常用于数码
    丙丁先生 2024-12-30 09:59 77浏览
  • 本文介绍瑞芯微主板/开发板编译OpenHarmony源码后烧录镜像的教程,触觉智能Purple Pi OH鸿蒙开发板演示。搭载了瑞芯微RK3566四核处理器,树莓派卡片电脑设计,支持开源鸿蒙OpenHarmony3.2-5.0系统,适合鸿蒙开发入门学习。编译源码后镜像路径编译完OpenHarmony源码后,会在以下路径,生成散包镜像,如图所示:/out/XXX(产品名)/packages/phone/images这时我们将images文件夹拷贝至本地,进行散包烧录操作步骤。散包镜像烧录连接开发板
    Industio_触觉智能 2024-12-30 09:54 70浏览
  • 在神秘而复杂的电子世界里,电子测试与测量技术宛如一把神奇的密钥,帮助我们解锁其中的奥秘。它不仅仅是一门技术,更是连接理论与实践、推动电子产业不断向前发展的核心力量。电子测试与测量:独特的 “电子侦探”电子测试与测量技术,犹如一位敏锐的 “电子侦探”,深入电子系统的各个角落,探寻其中的真相。从微小的电子元件到庞大复杂的电子系统,它都能凭借一系列独特的工具和方法,对电子信号的各种参数进行精确的分析和判断。想象一下,在一个复杂的电路板上,无数电子元件紧密协作,如同一个繁忙的城市。而电子测试与测量技术就
    Jeffreyzhang123 2024-12-30 14:54 79浏览
  • 一、API 安全:现代企业的必修课在现代技术生态中,应用程序编程接口(API)扮演着不可或缺的角色。从数据共享到跨平台集成,API 成为连接企业系统与外部服务的桥梁。然而,伴随云计算的普及与微服务架构的流行,API 的使用量呈现爆发式增长,也使得它逐步演变为企业信息安全中的“高危地带”。API 的核心功能是促进数据流转和应用集成,这既是它的优势,也使其成为网络攻击的主要目标。许多企业依赖 API 进行敏感数据的交互,包括用户信息、财务记录和企业业务数据等。一旦 API 出现漏洞或被不法分子利用,
    艾体宝IT 2024-12-30 11:49 52浏览
  • 综述在当今科技驱动的时代,压力测量在众多领域中扮演着举足轻重的角色。压力变送器作为将压力信号转换为标准电信号的关键设备,其技术发展与应用效能直接关系到各行业的生产安全、效率提升与创新突破。本文将深入阐述芯佰微电子为应对压力变送器的现状与痛点所推出的芯片解决方案。 一、现状与痛点分析压力变送器作为工业自动化系统中的关键设备,广泛应用于石油、化工、电力、汽车、航空航天等领域,用于精确监测液体、气体及蒸汽等介质的压力。随着工业自动化的普及及对数据精度的要求不断提高,压力变送器的技术也在不断进
    芯佰微电子 2024-12-30 13:51 37浏览
  • 在科技飞速发展的今天,智能硬件如同璀璨星辰,照亮了我们生活的各个角落。从清晨的第一缕阳光唤醒智能音箱,到夜晚智能家居系统营造的温馨氛围,智能硬件正以前所未有的速度改变着我们的生活方式,开启了一个全新的智能时代。智能硬件:科技融合的结晶智能硬件是将传感器、芯片、通信技术等多种科技元素深度融合的产物。它不再仅仅是冰冷的机器,而是具备了感知、思考和交互能力的智能伙伴。以智能手表为例,它不仅能准确记录时间,还能实时监测心率、运动步数、睡眠质量等健康数据。内置的传感器就像敏锐的 “触角”,时刻感知着我们的
    Jeffreyzhang123 2024-12-30 14:29 60浏览
  •  随着电子技术的进步,电路中的隔离需求日益增加。晶体管光耦作为一种非接触式信号传输器件,因其独特的隔离特性和可靠性,成为了现代电子设备和工业控制中不可或缺的元件。本文将带您深入了解晶体管光耦的结构、工作原理和核心特点。晶体管光耦的基本结构晶体管光耦,通常由两个主要部分组成:发光二极管(LED)和光敏晶体管。其物理结构简单却极具创新性:发光二极管(LED):电流通过时,LED会发出红外光。光敏晶体管:接收来自LED的红外光信号,从而引导电流在输出端导通。这种结构的最大特点在于输入与输出端
    晶台光耦 2024-12-30 16:15 81浏览
  • 在电子世界的广袤领域中,微控制器(MCU,Microcontroller Unit)宛如一颗璀璨的明星,发挥着至关重要的作用。从简单的智能家居设备到复杂的工业控制系统,MCU 无处不在。今天,我们就一同深入了解 MCU 的基础以及常用的编程手段。MCU 基础:麻雀虽小,五脏俱全MCU 是一种将中央处理器(CPU)、存储器(如闪存、随机存取存储器 RAM)、输入输出接口(I/O 接口)、定时器 / 计数器等多种功能集成在一个芯片上的微型计算机系统。它就像是一个小型的电子大脑,能够接收外部信号,进行
    Jeffreyzhang123 2024-12-30 15:40 90浏览
  • 在数字化时代,软件和操作系统(OS)犹如一对紧密协作的伙伴,共同构建了我们丰富多彩的数字世界。它们之间的关系错综复杂却又妙趣横生,深入理解这种关系,对于我们更好地使用和开发软件,以及推动整个信息技术产业的发展都有着至关重要的意义。操作系统:软件运行的基石操作系统,就像是计算机系统的大管家,它是计算机硬件与其他软件之间的桥梁。从底层的硬件资源管理,到为用户提供一个友好的操作界面,操作系统都扮演着不可或缺的角色。硬件资源管理是操作系统的核心职责之一。它负责分配和调度 CPU、内存、硬盘、显卡等硬件资
    Jeffreyzhang123 2024-12-30 15:04 84浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦