電池供電切換電路設(shè)計(jì)詳解
在電池供電系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)交流適配器與電池之間的靈活切換，常見的電路設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)肖特基二極管來(lái)隔離兩種電源，具體電路圖如圖1所示。
該電路設(shè)計(jì)要求交流適配器的輸出電壓必須高于電池DC/DC變換的輸出電壓。當(dāng)接入交流適配器時(shí)，二極管VD2處于反偏狀態(tài)，從而有效阻止電流從電池流向負(fù)載，確保負(fù)載由交流適配器供電。而當(dāng)交流電源被斷開時(shí)，二極管VD1則發(fā)揮防止電流從電池流入適配器的作用，避免電池能量的無(wú)謂損耗。
從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，這種電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、占用印制電路板面積小的優(yōu)勢(shì)。然而，它也存在兩個(gè)較為明顯的缺點(diǎn)：一是VD2的正向電壓（大約為0.4V）會(huì)導(dǎo)致DC/DC的輸出電壓降低。如果輸出電壓低于設(shè)備的啟動(dòng)電壓，該方案將無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。二是VD2的正向電壓會(huì)造成電池功率的浪費(fèi)，其耗散的功率等于負(fù)載電流乘以正向壓降，這在一定程度上影響了電池的使用效率。
針對(duì)上述基于肖特基二極管的電源切換電路的局限性，圖2展示了一種改進(jìn)方案，即用一個(gè)P溝道MOSFET替代圖1中的二極管VD2。當(dāng)切換到電池供電時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，使電池能夠向負(fù)載正常供電。而當(dāng)接入交流適配器時(shí)，MOSFET的柵極電壓高于其源極電壓，MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，從而切斷了電池與負(fù)載之間的連接，確保負(fù)載由交流適配器供電。
以100mA的負(fù)載電流為例，對(duì)于一個(gè)導(dǎo)通電阻為50mΩ的P溝道MOSFET，其電壓降僅為0.5mV，耗電僅0.5mW。相比之下，圖1所示的二極管配置方式，電壓降為400mV，功率損耗高達(dá)40mW。由此可知，MOSFET在降低電壓降和減少功率損耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，需要注意的是，MOSFET的導(dǎo)通電阻依賴于它的柵極偏置。
在圖2所示電路中，當(dāng)交流電源被斷開時(shí)，MOSFET的柵極電壓為零，源極為電池電壓。為確保在最大負(fù)載電流下能夠獲得所期望的輸出電壓，MOSFET的導(dǎo)通電阻應(yīng)在此偏壓下足夠低。因此，在實(shí)際選型中，應(yīng)盡量選用低閾值的MOSFET管。
雙電源電路圖及原理
該雙電源電路由1個(gè)P-MOS、1個(gè)二極管（推薦使用肖特基二極管，因其壓降小）、1個(gè)適當(dāng)阻值的下拉電阻組成。
假設(shè)USB電源電壓為5.0V，交流適配器的電壓為5.5V，略高于USB電源電壓。
當(dāng)僅有交流適配器的5.5V接入時(shí)，二極管導(dǎo)通，電路自動(dòng)切換為交流適配器供電模式，此時(shí)用電端電壓約為5.5V減去二極管的正向壓降（約0.3V），即約為5.2V。
當(dāng)僅有USB-5V單獨(dú)接入時(shí)，P-MOS的DS寄生二極管首先導(dǎo)通，S極電壓約為5V減去二極管正向壓降（約0.7V），即約為4.3V。此時(shí)，P-MOS的G極被下拉電阻拉低至0V，因此Vgs=0V-4.3V=-4.3V。由于-4.3V低于P-MOS的GS最低導(dǎo)通門限電壓，P-MOS隨之導(dǎo)通，用電端電壓則為5V減去P-MOS的導(dǎo)通壓降。通常情況下，MOS的導(dǎo)通電阻較低，約幾十mΩ，且一般電路電流不會(huì)超過(guò)2A，因此P-MOS的導(dǎo)通壓降幾乎可以忽略不計(jì)，能夠高效地將5V電壓輸出至用電端。
當(dāng)交流適配器的5.5V與USB-5V同時(shí)接入時(shí)，肖特基二極管D1導(dǎo)通，此時(shí)P-MOS的G極電壓為5.5V，S極電壓為5.2V，Vgs=5.5V-5.2V=0.3V。由于0.3V高于P-MOS的GS最低導(dǎo)通門限電壓，P-MOS處于關(guān)斷狀態(tài)，電路便自動(dòng)切換為由輸入電壓較高的交流適配器供電，確保設(shè)備優(yōu)先使用交流電源，從而有效延長(zhǎng)電池使用壽命并提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。
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