常用電源自動(dòng)切換電路原理圖講解

前言

在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以有多種電源方案，這里以一般的單片機(jī)產(chǎn)品為例，3.3V左右供電的系統(tǒng)，常見(jiàn)的有 USB供電、外接電源適配器供電 和 電池供電。

一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了產(chǎn)品更加穩(wěn)定和智能，我們都會(huì)預(yù)留其中2種甚至多種供電方式，一般每種電源單獨(dú)存在，都可以給產(chǎn)品供電，但是如果這些電源同時(shí)存在的情況，它們是如何選擇供電或者說(shuō)設(shè)計(jì)者該如何設(shè)計(jì)成比較理想的情況呢，這就今天我們要聊聊的電源自動(dòng)切換電路。

一、最簡(jiǎn)單的二極管

最簡(jiǎn)單的電源自動(dòng)切換電路：二極管并聯(lián)。

兩個(gè)電源，根據(jù)供電電壓的高低自動(dòng)選擇，哪邊電壓高用哪邊。

二極管可以選擇普通二極管（最大 0.7V 壓降）或者肖特基二極管（最大 0.3V 壓降）

1.1 都是5V電源

如果我們的系統(tǒng)是使用3.3V供電，而兩個(gè)電源都是5V（USB，外接適配器），后端需要接一個(gè) LDO，那么這個(gè)電路使用哪種二極管都無(wú)所謂，如果是普通二極管要注意 LDO 的選項(xiàng)，得選擇低壓差的。

如果是系統(tǒng)中需要有5V供電，那么普通二極管基本不可行的，得使用肖特基二極管。

使用 5V電源經(jīng)過(guò)肖特基二極管壓降后對(duì)于大部分要求 5V 供電的設(shè)備還是沒(méi)問(wèn)題的。

在這種情況下，使用二極管并聯(lián)有一個(gè)好處，不局限于2路，比如實(shí)際中可能出現(xiàn)3種，再多也可以，但是一個(gè)產(chǎn)品我做過(guò)的最多就3路，如下圖：

1.2 帶電池電源

但是如果有一路電源是電池，不管是常見(jiàn)的 4.2V 鋰電池，還是 3.6V AA電池（有鋰電池，也有其他種類(lèi)，比如鋰亞硫酰氯電池），使用普通二極管 0.7V壓降顯然不可以，那么必須得 選擇肖特基二極管。

即便這樣，對(duì)于電池來(lái)說(shuō)這個(gè)壓降也還是太浪費(fèi)了，但是至少是能夠使用起來(lái)的。

而且還得注意一個(gè)問(wèn)題，使用肖特基二極管壓降越低，但是反向漏電流越大，那么在電池和其他電源同時(shí)存在的情況下，需要考慮到電池是否能夠“容忍”這個(gè)反向電流。

大部分鋰電池并不能接收電流直接流入的，為了安全起見(jiàn)，不建議電池和 5V直接使用該方式做自動(dòng)切換電路。但實(shí)際上，如果產(chǎn)品的使用場(chǎng)景，已知電池和外接電源可能一起供電時(shí)間很少，注意好自己的負(fù)載需要的電壓，選擇合適的LDO或者電源處理方式。這個(gè)方式是實(shí)用的。

這里可能有人會(huì)說(shuō)，我已知池和外接電源基本不會(huì)一起供電，我還加二極管干嘛？

這里我只是經(jīng)驗(yàn)之談，雙電源，二極管得加，一般加肖特基二極管，為了少點(diǎn)壓降。不能不加，因?yàn)榭紤]到產(chǎn)品的安全性，用戶可能的不正當(dāng)操作等。

1.3 小結(jié)

適用場(chǎng)景，供電電源都是 5V的場(chǎng)合，供電電源為外接適配器，USB，是性?xún)r(jià)比最高的方案。

帶電池場(chǎng)景需要考慮額外的諸多問(wèn)題，如果對(duì)自己的產(chǎn)品使用場(chǎng)景有底，可以針對(duì)的使用。

二、MOS管切換電路

2.1 經(jīng)典電路

5V電源和電池的場(chǎng)合，使用一個(gè)MOS管作為備用電源（電池電源）的開(kāi)關(guān)，有一個(gè)經(jīng)典電路，原型如下（5V的電源不一定是USB，可以是外接適配器的5V）：

這經(jīng)典的電路已經(jīng)被許多博主工程師介紹過(guò)，我通過(guò)查閱大量的文章，發(fā)現(xiàn)大都是分享一個(gè)電路，說(shuō)一下工作流程。這里我必須說(shuō)明一些容易出錯(cuò)的地方。

注意這里使用的PMOS，方向沒(méi)有畫(huà)反，因?yàn)樾枰玫?MOS管的體二極管。電池電壓通過(guò)體二極管到達(dá) S 級(jí)，在沒(méi)有 VUSB 的時(shí)候使得 Vgs <0，MOS管導(dǎo)通，給Vout 供電。

那為什么不將 PMOS 管的 S 對(duì)著 VBat， D級(jí)對(duì)著 Vout 呢？

還是因?yàn)轶w二極管，如果有 VUSB 的時(shí)候，通過(guò)體二極管，VUSB 電壓直接到了電池，這是不允許的。

電路的流程簡(jiǎn)單介紹一下：

當(dāng)VUSB有電，PMOS管截止，即便有體二極管電流流過(guò)，但是因?yàn)閂USB會(huì)比 Vbat 電壓高，PMOS的Vgs>0 ,所以PMOS體二極管截止，負(fù)載由 VUSB 供電；

當(dāng)VUSB沒(méi)電，PMOS導(dǎo)通，負(fù)載由 VBat 供電；

能否無(wú)縫自動(dòng)切換？

無(wú)縫自動(dòng)切換指的是，在有 VUSB 和 電池同時(shí)供電的情況下，忽然去掉一個(gè)，負(fù)載能否保持正常工作而不復(fù)位或者出異常。實(shí)際上大多情況都是去掉 VUSB 后能否切換至電源供電而不出問(wèn)題。

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)是比較復(fù)雜的，決定能否無(wú)縫自動(dòng)切換的因數(shù)有很多，一般在使用的時(shí)候都是根據(jù)自己的情況調(diào)整一些元器件使得能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫自動(dòng)切換，這里說(shuō)明一些可能影響能否無(wú)縫自動(dòng)切換的因數(shù)：

1、MOS管參數(shù)

我們知道，MOS管有一個(gè)閾值電壓，閾值電壓越小，MOS管越容易導(dǎo)通。在MOS管選型的時(shí)候可以根據(jù)適當(dāng)情況調(diào)整：

2、上圖R2電阻

在上圖中，MOS管的 G 極到 GND 有一個(gè)電阻R2, 這個(gè)R2的阻值越小，MOS管導(dǎo)通速度越快。

但需要注意的是，這個(gè)R2是一直在耗電的，如果太小，那么系統(tǒng)額外白白浪費(fèi)的功耗就越多。

3、VouT 端濾波電容

實(shí)際上，Vout端如果有大一點(diǎn)的濾波電容，電容可以?xún)?chǔ)存一定的能量，會(huì)使得無(wú)縫切換更加穩(wěn)定，大一點(diǎn)的電容我實(shí)際使用的至少都是100uF以上的。

4、Vin 端電容

Vin端的電容實(shí)際上就是 VUSB 入口處的電容，在上圖中是沒(méi)有的，當(dāng)然這里提出來(lái)也是說(shuō)明不建議加，因?yàn)榧恿薞USB的掉電更緩慢，導(dǎo)致 PMOS 導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)。原理同上面Vout的濾波電容一樣。

5、負(fù)載功耗

負(fù)載功耗這個(gè)倒是我們無(wú)法改變的，但是他確實(shí)會(huì)影響自動(dòng)切換，如果負(fù)載功耗太大，那么是有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位的。反正就是負(fù)載功耗越大，越容易在電源切換的時(shí)候出問(wèn)題。這時(shí)候一般來(lái)說(shuō)，可以試著增加 Vout 端的濾波電容大小。

所以在實(shí)際使用中，注意上面的幾個(gè)因數(shù)，電路是可以做到無(wú)縫自動(dòng)切換的。

上面的這個(gè)電路在VUSB 和電池 雙電源供電的實(shí)際上已經(jīng)可以正常使用，而且很經(jīng)典實(shí)用。

2.2 經(jīng)典電路變種

我們上面經(jīng)典電路使用 PMOS ，還特意提到了 PMOS 的方向，但是如果就是想把PMOS反過(guò)來(lái)，或者設(shè)計(jì)的時(shí)候畫(huà)反了怎么彌補(bǔ)？

這里就針對(duì)上面電路做了一個(gè)變種電路：

這個(gè)電路理解起來(lái)應(yīng)該也很簡(jiǎn)單，原理也就是 Vgs < 0, PMOS管導(dǎo)通，和上面經(jīng)典電路一樣。

然后加了一個(gè)D2，防止了VUSB給電池充電的可能，這部分的處理有點(diǎn)類(lèi)似與上面提到的最簡(jiǎn)單的二極管并聯(lián)方式，但是會(huì)比二極管并聯(lián)更加可靠。

相對(duì)于經(jīng)典電路，這個(gè)電路要接受電池多一個(gè) D2 二極管的壓降。

這個(gè)電路相對(duì)經(jīng)典電路并沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)，但是我們要理解這個(gè)思路，有了這個(gè)思路，我們就有更多的可能。前面的兩個(gè)電路，都是只能適用于Vbat 必須小于VUSB的情況，如果他們兩個(gè)電壓相等或者其他情況的時(shí)候怎么處理？當(dāng)然可以直接用兩個(gè)二極管并聯(lián)，但是我們這里要提到的是使用MOS的方法。

2.3 經(jīng)典電路升級(jí)

根據(jù)前面的經(jīng)典電路，和經(jīng)典電路變種的設(shè)計(jì)思路，我們可以再用一個(gè)MOS管代D2，于是電路變成下面這樣：

相對(duì)于上面的電路來(lái)說(shuō) VUSB 與 VBat 的 壓差就沒(méi)有那么嚴(yán)格，具體的情況視具體情況而定。下面的邏輯是按照電路設(shè)計(jì)正常工作情況來(lái)說(shuō)明，當(dāng)然不是任何電壓都適合。我們這里只是電路記錄分享，如果有問(wèn)題，可以評(píng)論區(qū)指出。

原理上來(lái)說(shuō)還是MOS管，當(dāng)VUSB有電的時(shí)候，Q2，Q1截止，VUSB供電，當(dāng)VUSB沒(méi)電的時(shí)候，Q2，Q1導(dǎo)通，VBat 供電。

當(dāng)然或許會(huì)有可能Q2會(huì)導(dǎo)通，然后Q1截止，然后需要再根據(jù)情況詳細(xì)分析的情況。

但是整體上，相對(duì)于經(jīng)典電路來(lái)說(shuō) VUSB 與 VBat 的 壓差就沒(méi)有那么嚴(yán)格，在同樣的電壓下也可以做到切換。

2.4 另一種思路

除了上面經(jīng)典電路思想，我項(xiàng)目中確實(shí)用的也是上面的電路，但是在寫(xiě)博文的時(shí)候，為了做總結(jié)，查找了好多文章，發(fā)現(xiàn)了一款比較中意的電路：

這里是原文的鏈接：非常精妙的主副電源自動(dòng)切換電路，并且“零”壓降，客官你GET到精髓了嗎？…

其中 Vin1 是主電源，Vin2 是備用電源。

當(dāng) Vin1 和 Vin2 都有電的時(shí)候會(huì)使用Vin1，只要有 Vin1 ，Q1導(dǎo)通使得 Q2 的 G 極接地，然后Q2也導(dǎo)通，Q3的 G極連接 VIn1，S極基本也是Vin1（比Vin1小一點(diǎn)點(diǎn)，幾十mV），所以Q3截止，Vout 來(lái)自 Vin1。

其他的詳細(xì)分析可以查看原文，這里我只是做個(gè)記錄。

三、電源切換芯片

對(duì)于某些特除的場(chǎng)合，也可以使用電源切換芯片，電源切換芯片相對(duì)來(lái)說(shuō)基本無(wú)壓降，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，電源切換芯片的成本太高了。

比如 LTC441x 系列。

實(shí)際項(xiàng)目中，我倒確實(shí)還沒(méi)用過(guò)電源自動(dòng)切換芯片，這個(gè)或許等以后有機(jī)會(huì)用到再來(lái)記錄。

結(jié)語(yǔ)

除了文中提到的這些常用電路，還會(huì)有其他的一些帶上三極管或者更多MOS管的電路，但是我個(gè)人而言，我是應(yīng)該不會(huì)去用那么多的元器件做一個(gè)電源切換的= =！即便電路多么巧妙，我基本上都很少去分析,我還是實(shí)際項(xiàng)目為導(dǎo)向的，除非以后確實(shí)項(xiàng)目需要，我會(huì)來(lái)更新完成文章。

文章以總結(jié)記錄電路為主，所以并沒(méi)有用詳細(xì)數(shù)據(jù)分析，實(shí)際使用根據(jù)自己的情況，選擇合適的方案，進(jìn)行必要的細(xì)節(jié)調(diào)整，才能設(shè)計(jì)出合適自己的電路方案！