嵌入式系統(tǒng)主備電源的自動(dòng)切換方法與實(shí)現(xiàn)

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系 覃銀紅五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 楊鎮(zhèn)首

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嵌入式系統(tǒng)主備電源的自動(dòng)切換方法與實(shí)現(xiàn)

江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系 覃銀紅
五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 楊鎮(zhèn)首

【摘要】本文介紹了嵌入式系統(tǒng)主備電源自動(dòng)切換的兩種方法，對(duì)電壓不相等的主備電源系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)切換，具有功耗低，成本低，可靠性高等特點(diǎn)。文中給出了一種由5V電源適配器作為主電源供電、9V電池作為備用電源的主備電源自動(dòng)切換的具體實(shí)現(xiàn)電路，該電路在實(shí)際應(yīng)用中得到了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】主備電源；自動(dòng)切換；低功耗；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)對(duì)供電持續(xù)性的要求越來(lái)越高，要求供電電源采用兩路甚至兩路以上，一路為常用電源（主電源），另外為備用電源。正常情況下由主電源為系統(tǒng)供電，當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換為備用電源供電，當(dāng)主電源恢復(fù)正常時(shí)，自動(dòng)切回主電源供電。因此需要一種能在主備電源之間進(jìn)行自動(dòng)切換的電路，以保證供電不間斷或間斷時(shí)間在允許的范圍內(nèi)[1]。該電源切換電路必須具有反應(yīng)靈敏，工作可靠，功耗低等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的電源切換電路，有的不能對(duì)電壓不相等的主備電源系統(tǒng)進(jìn)行正常的切換，有的會(huì)產(chǎn)生比較高的功耗，因此，設(shè)計(jì)出一種能實(shí)現(xiàn)對(duì)主備電源電壓不相等的主備電源系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)切換，而且具有性能優(yōu)，功耗低，成本低，適用于嵌入式系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 常用的主備電源切換方法

1.1 采用二極管實(shí)現(xiàn)的主備電源切換方法

如圖1所示，是能夠完成主備電源切換的最簡(jiǎn)單電路[2]。該切換電路只采用兩只二極管搭建而成，利用二級(jí)管的單向?qū)щ娦?，使得主備電源都能單?dú)為系統(tǒng)供電。當(dāng)主電源故障時(shí)，切換電路能切換為備用電源為系統(tǒng)供電。

這種主備電源切換方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、低成本，切換速度取決于二級(jí)管。但是，該切換方法不適用于備用電源電壓大于或相等于主電源電壓的主備系統(tǒng)。因?yàn)樵谶@種供電系統(tǒng)下，雖然在主電源故障時(shí)，電路能切換成備用電源供電，但主電源恢復(fù)正常時(shí)卻不能能實(shí)現(xiàn)切換回為系統(tǒng)電源供電。

圖1 采用二極管實(shí)現(xiàn)的主備電源切換原理圖

1.2 采用繼電器實(shí)現(xiàn)的主備電源切換方法

如圖2所示，切換電路采用一個(gè)帶有一路常開(kāi)觸點(diǎn)、一路常閉觸點(diǎn)的繼電器來(lái)完成主備電源的切換。繼電器的線圈由主電源供電，當(dāng)主電源正常供電時(shí)，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，備用電源通路斷開(kāi)，主電源接通為系統(tǒng)供電。當(dāng)主電源供電故障時(shí)，繼電器線圈掉電，主電源通路斷開(kāi)，備用電源接通為系統(tǒng)供電。當(dāng)主電源恢復(fù)供電時(shí)，繼電器線圈恢復(fù)得電，備用電源通路斷開(kāi)，主電源通路接通恢復(fù)為系統(tǒng)供電。

該切換電路解決了用二極管實(shí)現(xiàn)的主備電源切換電路存在的問(wèn)題，它能實(shí)現(xiàn)備用電源電壓大于或等于備用電源電壓的系統(tǒng)進(jìn)行正常切換。但是，采用繼電器實(shí)現(xiàn)的切換電路存在繼電器線圈耗電大,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的溫升控制不利的問(wèn)題[2]，而且切換時(shí)間較長(zhǎng)，干擾較大等方面的問(wèn)題，不適合于嵌入式系統(tǒng)的主備電源切換應(yīng)用。

圖2 采用繼電器實(shí)現(xiàn)的主備電源切換原理圖

2 嵌入式系統(tǒng)主備電源切換方案

鑒于上述常用主備電源切換電路所存在的問(wèn)題而不適于嵌入式系統(tǒng)的主備電源切換，本文設(shè)計(jì)出了采用MOSFET管實(shí)現(xiàn)的主備電源切換方法，適合于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主備電源切換。

2.1 采用MOSFET管實(shí)現(xiàn)的主備電源切換方法一

主備電源自動(dòng)切換電路，采用兩個(gè)N-MOSFET管、一個(gè)P-MOSFET管、兩個(gè)二級(jí)管及電阻電容等器件組成。

如圖3所示，當(dāng)主電源同時(shí)正常時(shí)，MOSFET管G1導(dǎo)通，則G2截止、G3截止，備用電源不能為系統(tǒng)供電，此時(shí)主電源為系統(tǒng)供電；當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)，MOSFET管G1截止，則G2導(dǎo)通、G3導(dǎo)通，備用電源為系統(tǒng)供電。

圖3 采用MOSFET實(shí)現(xiàn)的主備電源切換原理圖一

2.2 采用MOSFET管實(shí)現(xiàn)的主備電源切換方法二

主備電源自動(dòng)切換電路，采用一個(gè)N-MOSFET管、兩個(gè)P-MOSFET管、兩個(gè)二級(jí)管及電阻電容等器件組成。

如圖4所示，當(dāng)主電源同時(shí)正常時(shí)，MOSFET管G1導(dǎo)通，則G2導(dǎo)通、G3截止，備用電源不能為系統(tǒng)供電，此時(shí)主電源為系統(tǒng)供電；當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)，MOSFET 管G1截止，則G2截止、G3導(dǎo)通，備用電源為系統(tǒng)供電。

圖4 采用MOSFET實(shí)現(xiàn)的主備電源切換原理圖二

3 嵌入式系統(tǒng)主備電源的自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)電路

下面以由5V電源適配器作為主電源供電、9V電池作為備用電源的嵌入式系統(tǒng)為例，介紹主備電源的自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)電路。

（1）當(dāng)主電源5V供電正常時(shí)，V1端電壓為V1=(R6/(R3+R6)*5V)=4.5V，則G1的柵源電壓為VGS(G1)=4.5V，大于N型MOSFET管G1的柵源門限電壓VGS(th)(0.7～1.4V)[7]，G1導(dǎo)通，V2端電壓為V2=0V，則G2的柵源電壓為VGS(G2)=-9V，小于P型MOSFET管G1的柵源門限電壓VGS(th)(-0.5～-1.3V)[8]，G2導(dǎo)通，V3端電壓為V3=9V，則G3的柵源電壓為VGS(G3)=0V，G3截止。則9V不能供電，系統(tǒng)由5V主電源供電。

（2）當(dāng)主電源5V供電異常時(shí)，系統(tǒng)由9V備用電池供電。在這種情況下，需要進(jìn)行供電的低功耗考慮。該供電情況下，切換電路的電阻R4將損耗一定的功率。理論上電阻R4的阻值越大，其損耗的功率就越小，但是R4增大，將會(huì)影響G3的導(dǎo)通與關(guān)斷。所以，R4的取值需結(jié)合G3的P-MOSFET的開(kāi)關(guān)特性及降低功耗的需求。

另外，電路中電容C1～C3的作用有：緩沖切換時(shí)輸出電壓的波動(dòng)、增大電源的驅(qū)動(dòng)能力，電容容值可以根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整；二極管D1～D2的作用有：由于二級(jí)管的單向?qū)щ娦裕O管D2防止在主電源供電時(shí)，主電源經(jīng)切換電路的P-MOSFET管G3漏流入備用電池；二級(jí)管D1防止在備用電池供電時(shí)，備用電源流入主電源，造成切換電路認(rèn)為主電源供電，進(jìn)而切斷備用電池供電，導(dǎo)致系統(tǒng)斷電。

圖5 嵌入式系統(tǒng)主備電源的自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)電路

4 結(jié)論

本文介紹了兩種種嵌入式系統(tǒng)的主備電源自動(dòng)切換方法。保證嵌入式系統(tǒng)某路正在使用的電源出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)切換到另外的正常電源上，保證供電不間斷或間斷時(shí)間在允許的范圍內(nèi)。切換電路能對(duì)電壓不相等的主備電源系統(tǒng)進(jìn)行正常的切換，且具有反應(yīng)靈敏，工作可靠，功耗低等特點(diǎn)。在實(shí)際于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。

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[7]AO3400A Datasheet[Z].http://www.aosmd.com.

[8]AO3401A Datasheet[Z].http://www.aosmd.com.

覃銀紅（1988—），女，湖南常德人，碩士，主要研究方向：嵌入式應(yīng)用技術(shù)、電氣工程及自動(dòng)化技術(shù)。

楊鎮(zhèn)首（1988—），男，福建泉州人，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。

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