能源与电源管理电路——电源切换电路

参考教程https://www.bilibili.com/video/BV1wzEC63Exr/?spm_id_from333.1387.favlist.content.click一、电源切换电路的背景在电子产品设计中经常会有这样的需求设备需要同时兼容USB供电和电池供电组成主备双电源架构实现供电源无缝自动切换、设备不间断运行规避意外断电、电压波动等问题电池供电与USB供电不能直接并联要想实现供电无缝切换需要设计电源切换电路下面以电池和USB双供电为背景进行电源切换电路的介绍二、几种电源切换电路介绍1、双二极管电源切换电路1下图所示的是双二极管电源切换电路的原理图。2双二极管电源切换电路的工作原理①由于USB供电电压略高于电池供电电压当USB和电池同时供电时USB供电电流优先通过二极管D3流向负载而电池侧的二极管D5截止具体计算方法可参考《模拟电路》课程切断电池的供电。也就是说当USB和电池同时供电时设备优先使用USB供电。②当USB供电断电后电池侧电压高于USB侧电压二极管D5导通电路自动切换为电池供电。3这种方案电路结构简单成本低但二极管在导通时存在压降在功耗和压降比较敏感的场合不适用。2、二极管MOS管电源切换电路1二极管在导通时存在压降这对电池供电来说不太友好一节满电的低电压电池还要有一部分能量浪费在二极管的导通压降上这在对功耗要求高的场合是不可接受的为了解决这个问题可以将电池侧的二极管替换为一对背靠背的PMOS管。2下图所示的是二极管MOS管电源切换电路的原理图。3二极管MOS管电源切换电路的工作原理①当USB和电池同时供电时USB供电通过二极管D1向后级负载输出MOS管Q2和Q3的栅极电位被拉高栅极电位接近源极电位栅源电压近似为零Q2和Q3截止切断电池的供电。也就是说当USB和电池同时供电时设备优先使用USB供电。②当USB供电断电后MOS管Q2和Q3的栅极电位被拉低栅极电位低于源极电位栅源电压为负Q2和Q3导通电路自动切换为电池供电。4MOS管的导通电阻通常在几十毫欧导通压降非常小对功耗有一定改善但这种方案的适用场景并没有扩大太多仍然存在供电效率和功耗的问题。3、双MOS管电源切换电路1既然电池侧的开关元件替换为了MOS管那么USB侧的开关元件一样可以替换为MOS管进一步降低损耗。2下图所示的是双MOS管电源切换电路的原理图MOS管Q4和Q5分别控制电池供电回路和USB供电回路MOS管Q6用于控制USB供电和电池供电的优先级。3双MOS管电源切换电路的工作原理①当USB和电池同时供电时MOS管Q4的栅极电位被拉高栅源电压近似为零Q4截止切断电池的供电MOS管Q6的栅极电位被拉高栅极电压高于源极电压Q6导通进而MOS管Q5的栅极电位被拉低栅极电压低于源极电压Q5导通此时优先使用USB供电。②当USB供电断电后MOS管Q4的栅极电位被拉低栅极电压低于源极电压Q4导通MOS管Q6的栅极电位被拉低栅源电压近似为零Q6截止MOS管Q5的栅极电位被拉高栅源电压近似为零Q5截止电路自动切换为电池供电。4使用该电路时需注意如果后级负载的瞬时功率过大需要在MOS管Q4和Q5上并联二极管以保护Q4和Q5的体二极管。4、电源控制芯片切换电路1当前已有许多厂家设计了成熟的双电源控制芯片以LTC4415为例它包含两个电源通路分别为主电源通路和次电源通路通路开关器件均使用理想二极管正向导通电阻在50mΩ左右反向电流小于1μA。2LTC4415的功能定义①通道的输出电流限值可以通过配置连接CLIM1/CLIM2的电阻阻值在0.5A~4A之间调节。②当芯片温度接近热停机门限或者输出负载超过电流门限时对应通道的报警引脚WARN1/WARN2将被拉低至低电平。③在通道正常工作时通道对应的状态输出引脚STAT1/STAT2会输出低电平。3下图所示的是使用LTC4415搭建的电源控制芯片切换电路的原理图。