一種基于分立元件的電源“無縫”切換電路設(shè)計

韋獻雅，張鶴樂，歸發(fā)智

（1.廣西藍天航空職業(yè)學院 航空工程學院，廣西來賓，546100；2.廣西藍天航空職業(yè)學院 無人機學院，廣西來賓，546100；3.深圳馳銳科技有限公司，廣東深圳，518000）

1 緒論

在電子元器件高度集成化的今天，很多的功能都被集成到一個芯片上，這樣使我們能在有限的空間放得下更多的功能器件。但是凡事都有利有弊，在給我們帶來便利的同時也給我們帶來成本問題。正如我們所知，高度集成的功能芯片一般都不會便宜，假設(shè)我們只需要芯片的某一個功能時，如果用整個芯片，其他功能用不上在造成資源浪費的同時生產(chǎn)成本也在增加。所以有時候能夠用低成本的分立元器件方案實現(xiàn)高成本的集成電路方案的功能就十分的必要，同時分立元件搭建的電路有著抗干擾性強，電路原材料容易獲取等優(yōu)點[1]。

我們知道當今的電子產(chǎn)品種絕大部分都是帶有備用鋰電池的，那如何延長鋰電池的壽命又是我們在電路設(shè)計當中需要首先要考慮的問題。比如系統(tǒng)在有外部電源供電的情況下，鋰電池只接受充電不接受放電，當外部電源斷開時，鋰電池又能“無縫”的銜接給系統(tǒng)供電從而避免由于系統(tǒng)供電不及時而死機，如此能讓鋰電池的壽命延長也能保證系統(tǒng)的正常。到這里有人或許會想為什么不用電磁繼電器？我們知道電磁繼電器的每部結(jié)構(gòu)為機械性接觸開關(guān)，在繼電器的開啟與閉合之間存在極短的開路，并不能“無縫”銜接，而且彈片的接觸瞬間會產(chǎn)生火化，也產(chǎn)生干擾電路的噪聲信號。因此在對電源上電時序有著嚴格要求的芯片來電磁說繼電器并不是個很優(yōu)的方案。

本設(shè)計就是使用低成本的常規(guī)分立元器件搭建鋰電池和外部電源的“無縫”切換的硬件電路設(shè)計。

2 分立元件總電路圖

本電路的適用條件是外部電源輸入為5V（注意：ΜOSFET 的ID最大值為5.5A，因此電路的負載功率不能超過27.5W），鋰電池為3.7V，系統(tǒng)供電為3.5～5.2V 之間。功能概述：當有5V 的電源輸入時，電路自主斷開鋰電池對系統(tǒng)的供電，同時由充電單元電路對鋰電池進行充電。充滿時，充電IC 斷開對鋰電池的充電。當沒有外部5V 的電源輸入時，主要由鋰電池對系統(tǒng)進行供電。但是當沒有外部電源輸入的情況下，不能讓鋰電池一直處于過放（過度放電）的狀態(tài)，這樣的會大大的降低鋰電池的使用壽命，因此CPU 需要對鋰電池的電量進行實事的監(jiān)控，當鋰電池欠電時，由CPU 發(fā)出指令關(guān)閉鋰電池對系統(tǒng)的供電。為了更直觀觀察到鋰電池的狀態(tài)，設(shè)置了充電指示燈，不同顏色分別代表鋰電池的狀態(tài)。

3 單元電路分析

■3.1 開關(guān)器件

相對于以上總電路圖，很多人會有疑問，為什么不直接用兩個二極管并聯(lián)（如圖2 所示）作為切換電路？

圖1

圖2

那么我們分析一下圖2 電路的原理：當鋰電池供電和外部供電同時存在時，D4 導通，D5 截止，負載由外部電源供電；當只有鋰電池供電時D5 導通，系統(tǒng)由鋰電池供電。從整個電路來看，咋一看確實沒有問題，但是我們知道二極管主要是硅管或者鍺管制造而成，不管是硅管還是鍺管都有一定的內(nèi)阻和正向?qū)娫?，硅管?.7V 的正向?qū)妷海N管為0.4V。外部5V 輸入經(jīng)過二極管之后只能得4.3～4.6V的電壓，鋰電池經(jīng)過二極管后只能得到3.5～3.8V 的電壓。因此如果單單使用二極管作為切換電路，不僅得到的負載電壓大打折扣，而且內(nèi)阻也大。經(jīng)過以上分析，二極管雖然能實現(xiàn)功能，但是并不是較好的方案。

在電路設(shè)計當中ΜOSFET 因?qū)ǖ膬?nèi)阻低、開關(guān)的速度快等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中，如圖3 所示，Q1 為P 溝道的大功率ΜOSFET 管，U2 為兩個P 溝道的大功率ΜOSFET 管。通過控制Q1 和U2 的通斷讓其實現(xiàn)供電源的切換。

圖3

■3.2 電壓比較電路

如圖3 所示Q2，Q3，R6，R7 搭建組成一個比較器電路。即當有外部電源輸入時（VDD5V=5V），Q2 導通并拉高Q3的B 極從而導致Q3 截止，則Q1 的G 極被電阻R7 拉低（Q1導通，U2 截止）。當沒有外部電源輸入時（VDD5V=0V），Q2 截止，Q3 的B 極被電阻R6 拉低（Q3 導通），Q3 的C極被拉高，Q1 截止，U2 導通[3]。

■3.3 開關(guān)機控制電路

如圖4 所示，當外部插入電源，系統(tǒng)工作，CPU 通過GPIO1 拉高讓QT2 導通鎖定，當撤去外部電源QT1 導通，U2 開啟，鋰電池開始通電。D1 和D2 是為了防止U2 的兩個G 極信號相互干擾。

圖4

■3.4 充電顯示電路

如圖1 所示LED1 為紅綠雙色燈，當充滿電時U1 的PIN7 會輸出低電平，Q4 導通LED 的綠燈亮，由于紅燈常亮，故充滿電時LED1 的整體顯示為黃色。當鋰電池未充滿電U1 的PIN7 輸出高電平，Q4 截止，綠燈不亮，則LED1的整體顯示為紅色。

■3.5 充電單元電路

ΜE4059 是一款具有恒流恒壓充電模式的鋰電池充電管理芯片?？梢詫喂?jié)（4.2V/4.34）鋰電池進行快速高效地充電。其采用電流模式 PWΜ 降壓型開關(guān)控制結(jié)構(gòu)，為鋰電池快速充電提供了微型、簡單且高效的解決方案。

ΜE4059-N 內(nèi)置防倒灌功能，所以實際應(yīng)用不需要輸入端接二極管防倒灌。大大降低了系統(tǒng)成本。芯片內(nèi)置過 壓保護功能，當芯片的 VIN 電壓超過 6V 之后，芯片關(guān)閉， 此時芯片的 VIN 端可耐壓 10V。

ΜE4059 由外部Sense 電阻設(shè)定出高精度的充電電流，內(nèi)部由分壓電阻和精準的參考電壓將電池的浮充電壓設(shè)定在4.2V/4.34V 同時具有高達±1%的精度。當輸入電源去掉后，芯片會自動進入低電流休眠模式，電池的漏電流低至 1μA。當充電周期結(jié)束后，如果單節(jié)電池電壓降到 4.1V/4.15V 后，芯片將自動重新對電池進行充電。

鋰電池的充電單元電路見圖1，PIN8 溫度監(jiān)測引腳，PIN1 為是能引腳，并可以通過CUP 的GPIO3 對其進行使能控制。

充電管理流程圖如圖5 所示。

圖5

4 PCB 的電路LAYOUT 參考設(shè)計

意的事項有：(1)主要的電源線路盡可能的要粗要短（建議用鋪銅的方式關(guān)聯(lián)電路）。(2)電源的地回路盡可能的粗短（建議用鋪銅的方式關(guān)聯(lián)電路）。(3)由于電感部分為高頻震蕩區(qū)，因此功率電感下面不允許走線或鋪銅，避免被干擾。(4)充電芯片的的熱焊盤應(yīng)該打多一些的地過孔，如此便能使芯片的熱量可以通過孔熱傳導將熱量散到底層的大片地銅。

除了以上針對本設(shè)計的一些LAYOUT的一些要求，還總結(jié)了另外的一些LAYOUT 要求：

(1)旁路電容盡量靠近IC 腳，這樣對整個電路的抗干擾能力有很大的幫助

(2)布局的時候，可以把零件盡量對齊，可以增加板子美觀。

(3)多層板的頂層IC 底部，最好鋪一下銅，有助于IC散熱以及抗干擾。

(4)貼片IC 的管腳不要做的太長，防止IC 在SΜT 貼片過回流焊的時候錫膏融化拉動而出現(xiàn)零件位置偏移。

(5)地管腳接地的線越短越好。

(6)插座或一些間距較小的，這個零件要過波峰焊的最好做拖錫焊盤，這樣做可以減少執(zhí)錫的地方。

(7)零件焊盤不要打過孔，因為過回流焊的時候可能造成零件少錫，除非PCB做 塞孔工藝，就是用綠油把過孔塞住。

(8)PCB 最好不要直角，鈍角，銳角走線，可能會造成阻抗變化的情況，因為拐角可以等效為傳輸線上的容性負載，減緩上升時間，如果是信號線那個尖角就會產(chǎn)生EΜI，也會使阻抗不連續(xù)會造成信號的反射，從而形成干擾源。

(9)電源應(yīng)該串聯(lián)一個防浪涌繞線電阻， 可以抵抗很大一部分浪涌，對整個電路可以提升抗干擾能力。

圖6

(10)電源線按“主線—支線”走成分支形，避免環(huán)形走線。

(11)電源先經(jīng)過濾波電容，再進元件，先大電容后小電容。

(12)易受干擾的關(guān)鍵信號線作包地處理。

(13)布線時要合理安排導線和過孔位置，構(gòu)造出大塊的地，提高板子的EΜC 性能。

總之，遵循嚴格的布線要求，能夠讓電路運行得更加的穩(wěn)定，俗話說“工欲善其事必先利其器”就是這個道理。

5 結(jié)語

本電路均是由最基本的半導體器件搭建而成，而且有成本低，容易購買等優(yōu)點。在生產(chǎn)設(shè)計當中既可以降低開發(fā)的物質(zhì)成本，同時也可以節(jié)約由于物料供貨延時導致的時間成本。當然沒有十全十美的東西，電路也不可例外，本電路的缺點是電子元件較多，在PCB 板上占用的空間較大。因此需要根據(jù)產(chǎn)品的實際情況選擇合適的電路方案。

本電路設(shè)計主要研究了基于分立元件的電源，通過單元模塊，如開關(guān)器件、電壓比較電路、開關(guān)機控制電路、充電顯示電路、充電單元電路等，以及PCB 的電路LAYOUT 參考設(shè)計，實現(xiàn)了在鋰電池和外部電源的“無縫”銜接給系統(tǒng)供電。最大程度上確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，同時保護了鋰電池的壽命，為客戶的產(chǎn)品體驗大大的提升。

參考文件

* [1]林為.帶自鎖功能的雙電源供電系統(tǒng)自適應(yīng)切換電路[J].通信電源技術(shù).2019(05)

* [2]宋長青、申紅明、邵海寶主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學出版社. 2020（07）.

* [3]朱小明、楊緒業(yè)、郭小娟主編.模擬電路與數(shù)字電路[M].人民郵電出版社.2019（10）.