帶自鎖功能的雙電源供電系統(tǒng)自適應(yīng)切換電路

林 為（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

許多便攜式電子產(chǎn)品使用電池供電，同時(shí)使用交流適配器（或USB，下文同）作為外部電源，即雙電源供電。當(dāng)不插入適配器時(shí)，負(fù)載由電池供電；當(dāng)插入適配器時(shí)，負(fù)載由適配器供電。在這種雙電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是解決電池和外部電源（交流適配器）之間的切換。這個(gè)切換過(guò)程應(yīng)該做到自適應(yīng)平穩(wěn)無(wú)縫切換，無(wú)需人工干預(yù)，并且要保證輸出電壓符合要求，同時(shí)保證電源的高效率[1]。此外，當(dāng)插入交流適配器時(shí)，除了切斷電池的供電回路，還要考慮適配器對(duì)電池的作用：當(dāng)產(chǎn)品采用非充電電池（如普通碳性電池或堿性電池）時(shí)，系統(tǒng)需防止對(duì)電池反向充電；當(dāng)產(chǎn)品采用充電電池（如鋰電池或鉛酸電池）時(shí)，適配器要能通過(guò)一個(gè)充電管理電路對(duì)電池充電。

1 常見(jiàn)的雙電源切換方案

方案1：?jiǎn)渭兛侩娫床遄≒ower Jack）的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行切換，插入適配器插頭的同時(shí)斷開(kāi)電池供電觸點(diǎn)。這種方法多見(jiàn)于老式電子產(chǎn)品，存在電壓瞬時(shí)中斷或波動(dòng)大的問(wèn)題，容易影響負(fù)載的正常工作。

方案2：在適配器支路和電池支路各串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管[1]，如圖1所示，要求適配器電壓大于電池電壓（如USB 5 V，鋰電池3.7 V）。當(dāng)插入適配器時(shí)，二極管D2反偏截止，只有適配器電源給負(fù)載供電；適配器斷電或未插入時(shí)，電池通過(guò)二極管D2向負(fù)載供電，二極管D1防止電流從電池流入適配器。該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但由于二極管存在較大的導(dǎo)通電壓（約為0.3 V），電池供電的損耗大、效率低，還會(huì)導(dǎo)致電池電壓經(jīng)過(guò)二極管后降低太多而無(wú)法驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖1 采用肖特基二極管的切換電路

方案3：采用MOS管作為切換開(kāi)關(guān)[1]，如圖2所示。電池正極接在MOS管的漏極，通過(guò)MOS管向負(fù)載供電，適配器連接到MOS管的柵極，并通過(guò)肖特基二極管（圖a）或LDO（圖b）向負(fù)載供電。圖2中，Q為P溝道MOS管。

圖2 采用MOS管作為切換開(kāi)關(guān)示意圖

假設(shè)電池為單顆鋰電池，電壓為3.7～4.2 V，肖特基二極管或LDO的壓降約為0.3 V，負(fù)載接在MOS管的源極，工作原理說(shuō)明如下：

（1）當(dāng)適配器未接入或斷電時(shí)，MOS管柵極通過(guò)R1下拉到地，VBAT經(jīng)過(guò)Q1體內(nèi)二極管到達(dá)源極，源極電壓為3～3.5 V，Vgs為負(fù)值且小于Vgs(th)，MOS管導(dǎo)通，負(fù)載使用電池供電。

（2）當(dāng)適配器插入時(shí)，適配器（假設(shè)為5.0 V）通過(guò)D1（肖特基）或U1（LDO）到達(dá)源極，源極電壓為4.7 V，此時(shí)Vgs=0.3 V（柵極電壓高于源極電壓），MOS管關(guān)斷，負(fù)載使用適配器供電。

該方案利用MOS管的開(kāi)關(guān)特性實(shí)現(xiàn)雙電源無(wú)縫自動(dòng)切換，由于MOS管導(dǎo)通電阻非常小，克服了方案2二極管導(dǎo)通壓降大、損耗大的缺點(diǎn)。方案利用Vgs控制MOS管的通斷，前提是適配器電壓要大于電池電壓。導(dǎo)通時(shí)，為保證MOS管在最大負(fù)載電流下能夠獲得期望的輸出電壓，應(yīng)盡量選用低閥值MOS管。

方案4：集成電路方案。鑒于大部分便攜式產(chǎn)品使用電池供電時(shí)都設(shè)計(jì)有相應(yīng)的DC/DC變換器，以便電池在消耗中電壓變低時(shí)仍能維持產(chǎn)品的正常工作。將控制電路和DC/DC變換器集成，便可組成高效的雙電源切換電路。以特瑞仕半導(dǎo)體公司推出的DC/DC升壓器XC9128為例，說(shuō)明如下。

如圖3所示，U1（XC9128）和L1構(gòu)成DC/DC升壓變換器，R1和R2監(jiān)控適配器電壓。當(dāng)適配器未接入或斷電時(shí)，AEN端為低電平，此時(shí)DC/DC變換器正常工作，電池向負(fù)載供電。如果接入適配器或插入U(xiǎn)SB接口時(shí)，AEN引腳電平由低變高，DC/DC內(nèi)部N溝道MOS開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，芯片停止工作，適配器通過(guò)LDO向負(fù)載供電。因此，使用XC9128系列可以輕松實(shí)現(xiàn)適配器與電池供電的自動(dòng)切換。XC9128系列由于內(nèi)置了導(dǎo)通電阻為0.2 Ω的N溝道MOS管和同步整流用的P溝道MOS管，能夠穩(wěn)定輸出高達(dá)1 A的電流，且具有很高的轉(zhuǎn)換效率。

類(lèi)似地，采用DC/DC變換器芯片組成的雙電源切換方案，可參考文獻(xiàn)[1-3]。

2 問(wèn)題的提出

方案3和方案4可以實(shí)現(xiàn)雙電源的無(wú)縫切換且效率高，共同的特點(diǎn)是通過(guò)監(jiān)測(cè)適配器電壓控制適配器和電池的切換。在實(shí)際應(yīng)用中，它存在以下問(wèn)題。具有USB外設(shè)的各類(lèi)電子產(chǎn)品，其USB的電流驅(qū)動(dòng)能力差異很大。PC的USB可以提供穩(wěn)定的500 mA電流，但有些產(chǎn)品（如部分打印機(jī)）的USB只能提供約200 mA電流。在手機(jī)大量普及的今天，市面和用戶(hù)手上擁有大量電源適配器（手機(jī)充電器，大部分采用USB接口）。這些充電器提供電流的能力和電壓紋波差異極大，質(zhì)量參差不齊。使用這種電流不足的適配器或USB進(jìn)行供電時(shí)，如果負(fù)載瞬間消耗的電流過(guò)大，則USB電壓會(huì)瞬時(shí)下降，可能造成負(fù)載死機(jī)，或者在電池供電和適配器供電之間不停切換，甚至燒壞提供USB電源接口的設(shè)備。

圖3 由XC9128構(gòu)成的雙電源切換電路

3 帶自鎖功能的適配器/電池雙電源供電系統(tǒng)自適應(yīng)切換電路

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款帶自鎖功能的適配器/電池雙電源供電系統(tǒng)自適應(yīng)切換電路。該電路利用實(shí)時(shí)檢測(cè)電路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)適配器（或USB）無(wú)法驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，檢測(cè)電路把電源切換回電池，使負(fù)載正常工作；當(dāng)適配器電壓因負(fù)載變輕臨時(shí)恢復(fù)時(shí)，通過(guò)保持穩(wěn)態(tài)電路繼續(xù)維持電池供電，從而確保負(fù)載正常工作。具體電路如圖4所示。檢測(cè)電路由比較器U1、與非門(mén)U2、非門(mén)U3和U4、采樣電阻R3和R4等組成。

當(dāng)插入適配器時(shí)，U1反相端的電壓V-=VusbR4/(R3+R4)（其中Vusb為適配器電壓）。設(shè)定U1的Vref＜V-，U1輸出低電平，U2輸出高電平，Q3和Q2導(dǎo)通，Q1截止，適配器通過(guò)Q2給負(fù)載供電。

當(dāng)負(fù)載開(kāi)啟時(shí)或工作過(guò)程中瞬間超出適配器所提供的電流時(shí)，適配器電壓下降。當(dāng)Vref＞V-時(shí)，U1輸出高電平，U2輸出低電平，Q1導(dǎo)通，Q3和Q2截止，電池通過(guò)Q1給負(fù)載供電。

U2、U3、U4組成穩(wěn)態(tài)電路。當(dāng)適配器電壓出現(xiàn)跳變時(shí)，固定負(fù)載由電池端供電。當(dāng)負(fù)載的供電電源切到電池后，如果適配器的電壓因負(fù)載減少而恢復(fù)正常值，那么U1輸出將由高電平變?yōu)榈碗娖?。但是，因U2的輸出通過(guò)2個(gè)非門(mén)反饋到U2的另一輸入端，將使U2的輸出維持低電平，保證負(fù)載穩(wěn)定由電池供電而不會(huì)再切換到適配器供電，從而避免了電池供電和適配器供電之間不停切換的問(wèn)題，確保負(fù)載穩(wěn)定工作。

4 結(jié) 論

許多便攜式電子產(chǎn)品使用電池供電，同時(shí)使用交流適配器作為外部電源，即雙電源供電。為了做到電池和適配器之間的平穩(wěn)無(wú)縫切換，通常采用MOS管作為開(kāi)關(guān)，利用適配器電壓信號(hào)控制MOS的通斷進(jìn)行切換。但是，在有些場(chǎng)合，適配器或USB提供的電流無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載需求，將引起外部電源瞬間下降，從而導(dǎo)致電池供電和適配器供電之間不停切換，影響負(fù)載的正常工作。為此，本文提出了一種帶自鎖功能的雙電源供電系統(tǒng)自適應(yīng)切換電路，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣適配器電壓，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)適配器和電池供電的無(wú)縫切換。當(dāng)適配器提供不了負(fù)載索取的電流時(shí)，說(shuō)明此適配器不適合向該負(fù)載（電子產(chǎn)品）供電，此時(shí)自動(dòng)切換到電池供電，并一直維持電池供電狀態(tài)，避免電池供電和適配器供電之間不停切換，從而確保負(fù)載穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)的電路具有簡(jiǎn)單可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用于各類(lèi)雙電源管理系統(tǒng)。

圖4 帶自鎖功能的適配器/電池雙電源供電系統(tǒng)自適應(yīng)切換電路