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

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所属分类:功能电路

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▲ 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):

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

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:

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

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:

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

隐藏后变成这样:

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

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:

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

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。

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

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。

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

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。

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

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:

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

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。

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

 

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:

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

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:

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

其中,电源切换相关的电路在这里:

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

标注对应的实物图:

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

 

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。

欢迎大家留言讨论!

关于电路的学习,希望大家,enjoy!

 

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目前评论:14   其中:访客  7   博主  7

    • 少于 1

      讲的这么好没有评论吗

        • LR梁锐 Admin

          @少于 感谢您,现在有了!

        • will 1

          秒啊

            • LR梁锐 Admin

              @will 这电路确实很妙哈!

            • Bad 0

              太棒了!!为你打call!!!

                • LR梁锐 Admin

                  @Bad 感谢!!

                • 达达尼安 1

                  棒棒哒

                    • LR梁锐 Admin

                      @达达尼安 谢谢认可,自认为也写得很棒,嘿嘿

                    • AAA 2

                      VBUS还需要考虑一种情况,如果拔掉的不是数据线,而是充电器呢,充电器里面很大的电容。

                        • LR梁锐 Admin

                          @AAA 拔掉充电器(里面有大电容),相当于:拔掉数据线,同时电路板的VBUS处有一个对地大电容,那么MOS管的打开速度就变慢了。

                        • ooiqilin 1

                          VBUS是4.9V时,VOUT为啥不是4.6V呢?

                            • LR梁锐 Admin

                              @ooiqilin 你是对的,说明你已经掌握了该电路。你说的地方是文章中的一个瑕疵,后续我会勘误修正的,也感谢你的指出!

                            • yuchengcheng 0

                              妙啊,简单几个元件就能实现这个功能

                                • LR梁锐 Admin

                                  @yuchengcheng 经典电路,久经批量考验,你值得拥有哦!