▲ 本文要分析的電路
很多內置有鋰電池的便攜電子設備，比如手機，通常采用這樣的供電方式：
下圖電路就是實(shí)現上述的功能，它來(lái)自一款電子書(shū)閱讀器（Kindle同類(lèi)產(chǎn)品）：
這是已量產(chǎn)的電路，成熟 穩定，實(shí)物電路板如下圖所示，幾個(gè)關(guān)鍵的元器件做了標注：
本 文要講 解的是“外置USB供電與內置鋰電池供電的自動(dòng)切換電路”，所以先把上述電路中不相關(guān)的電路隱藏。
這一下子，電路變得好簡(jiǎn)單，實(shí)現電源切換的功能，竟然只需要一個(gè)二極管、一個(gè)MOS管、一個(gè)電阻！
將上述的“外置USB供電與內置鋰電池供電自動(dòng)切換電路”整理一下，弄好看點(diǎn)：
假設VBUS的電壓為5V，VBAT的電壓為3.7V，下面開(kāi)始分析。 VBUS通過(guò)肖特基二極管D9到達VOUT。
肖特基二極管的導通壓降約為0.3V，USB電壓VBUS = 5V，所以： 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 )浪費一些功耗，流過(guò)R155的電流為： 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，因為如果下降慢了，會(huì )導致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： MOS管仍然不導通，VOUT的供電沒(méi)有完全切換為VBAT。
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VBUS的電壓下降過(guò)慢，可以減小R155的阻值。但是這樣會(huì )導致在插入USB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，需根據實(shí)際調試的效果來(lái)決定。 如下圖，MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0，MOS管不導通，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。
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)，導致VBAT的電壓沒(méi)有及時(shí)切過(guò)來(lái)？ MOS管Q4沒(méi)有快速打開(kāi)，VBAT供電不能及時(shí)續上來(lái)，會(huì )導致VOUT電壓下降過(guò)多，VOUT的負載電路就可能工作異常。如果電路的負載較重，拉取的電流較大，尤其容易出現在供電電源切換時(shí)VOUT電壓下降過(guò)多的問(wèn)題。
該肖特基二極管D1的正向導通壓降約為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VOUT進(jìn)行供電，可以緩解VOUT電壓下降過(guò)多的問(wèn)題。 這個(gè)方法非常實(shí)用，該電路與方法已經(jīng)被申請了實(shí)用新型專(zhuān)利。 其實(shí)很多再普通不過(guò)的電路都被申請了實(shí)用新型專(zhuān)利，盡管這些電路被大眾長(cháng)期使用在先，具體就不展開(kāi)了。 除了上述的電子書(shū)閱讀器有應用之外，還有大量的產(chǎn)品使用了這個(gè)切換電路。 比如MicroPython領(lǐng)域著(zhù)名的01Studio公司，其出品的多款開(kāi)發(fā)板都有這個(gè)切換電路。 以其中的一款型號為“pyWiFi-ESP32”的開(kāi)發(fā)板舉例，其電源部分的電路圖如下：
本文應該是全網(wǎng)目前為止，講這個(gè)電路講得最“啰嗦”的一篇，不知會(huì )不會(huì )講得太“干”了，不好消化。 |
