林 為(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 佛山 528137)
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)切換過程應(yīng)該做到自適應(yīng)平穩(wěn)無縫切換,無需人工干預(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),適配器要能通過一個(gè)充電管理電路對電池充電。
方案1:單純靠電源插座(Power 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)斷開電池供電觸點(diǎn)。這種方法多見于老式電子產(chǎn)品,存在電壓瞬時(shí)中斷或波動大的問題,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,還會導(dǎo)致電池電壓經(jīng)過二極管后降低太多而無法驅(qū)動負(fù)載。
圖1 采用肖特基二極管的切換電路
方案3:采用MOS管作為切換開關(guān)[1],如圖2所示。電池正極接在MOS管的漏極,通過MOS管向負(fù)載供電,適配器連接到MOS管的柵極,并通過肖特基二極管(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,工作原理說明如下:
(1)當(dāng)適配器未接入或斷電時(shí),MOS管柵極通過R1下拉到地,VBAT經(jīng)過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管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)雙電源無縫自動切換,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開關(guān)管關(guān)斷,芯片停止工作,適配器通過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]。
方案3和方案4可以實(shí)現(xiàn)雙電源的無縫切換且效率高,共同的特點(diǎn)是通過監(jiān)測適配器電壓控制適配器和電池的切換。在實(shí)際應(yīng)用中,它存在以下問題。具有USB外設(shè)的各類電子產(chǎn)品,其USB的電流驅(qū)動能力差異很大。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大,則USB電壓會瞬時(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
為解決上述問題,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)檢測電路,當(dāng)發(fā)現(xiàn)適配器(或USB)無法驅(qū)動負(fù)載時(shí),檢測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。檢測電路由比較器U1、與非門U2、非門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Q2給負(fù)載供電。
當(dāng)負(fù)載開啟時(shí)或工作過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2個(gè)非門反饋到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題,確保負(fù)載穩(wěn)定工作。
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)無縫切換,通常采用MOS管作為開關(guān),利用適配器電壓信號控制MOS的通斷進(jìn)行切換。但是,在有些場合,適配器或USB提供的電流無法滿足負(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,通過實(shí)時(shí)采樣適配器電壓,自動實(shí)現(xiàn)適配器和電池供電的無縫切換。當(dāng)適配器提供不了負(fù)載索取的電流時(shí),說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)的電路具有簡單可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn),可用于各類雙電源管理系統(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