韋獻(xiàn)雅，張鶴樂(lè)，歸發(fā)智

（1.廣西藍(lán)天航空職業(yè)學(xué)院 航空工程學(xué)院，廣西來(lái)賓，546100；2.廣西藍(lán)天航空職業(yè)學(xué)院 無(wú)人機(jī)學(xué)院，廣西來(lái)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(gè)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(lái)便利的同時(shí)也給我們帶來(lái)成本問(wèn)題。正如我們所知，高度集成的功能芯片一般都不會(huì)便宜，假設(shè)我們只需要芯片的某一個(gè)功能時(shí)，如果用整個(gè)芯片，其他功能用不上在造成資源浪費(fèi)的同時(shí)生產(chǎn)成本也在增加。所以有時(shí)候能夠用低成本的分立元器件方案實(shí)現(xiàn)高成本的集成電路方案的功能就十分的必要，同時(shí)分立元件搭建的電路有著抗干擾性強(qiáng)，電路原材料容易獲取等優(yōu)點(diǎn)[1]。

我們知道當(dāng)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(zhǎng)鋰電池的壽命又是我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)當(dāng)中需要首先要考慮的問(wèn)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(dāng)外部電源斷開(kāi)時(shí)，鋰電池又能“無(wú)縫”的銜接給系統(tǒng)供電從而避免由于系統(tǒng)供電不及時(shí)而死機(jī)，如此能讓鋰電池的壽命延長(zhǎng)也能保證系統(tǒng)的正常。到這里有人或許會(huì)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(jī)械性接觸開(kāi)關(guān)，在繼電器的開(kāi)啟與閉合之間存在極短的開(kāi)路，并不能“無(wú)縫”銜接，而且彈片的接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生火化，也產(chǎn)生干擾電路的噪聲信號(hào)。因此在對(duì)電源上電時(shí)序有著嚴(yán)格要求的芯片來(lái)電磁說(shuō)繼電器并不是個(gè)很優(yōu)的方案。

本設(shè)計(jì)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(wú)縫”切換的硬件電路設(shè)計(jì)。

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(fù)載功率不能超過(guò)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(dāng)有5V 的電源輸入時(shí)，電路自主斷開(kāi)鋰電池對(duì)系統(tǒng)的供電，同時(shí)由充電單元電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。充滿(mǎn)時(shí)，充電IC 斷開(kāi)對(duì)鋰電池的充電。當(dāng)沒(méi)有外部5V 的電源輸入時(shí)，主要由鋰電池對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。但是當(dāng)沒(méi)有外部電源輸入的情況下，不能讓鋰電池一直處于過(guò)放（過(guò)度放電）的狀態(tài)，這樣的會(huì)大大的降低鋰電池的使用壽命，因此CPU 需要對(duì)鋰電池的電量進(jìn)行實(shí)事的監(jiān)控，當(dāng)鋰電池欠電時(shí)，由CPU 發(fā)出指令關(guān)閉鋰電池對(duì)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(kāi)關(guān)器件

相對(duì)于以上總電路圖，很多人會(huì)有疑問(wèn)，為什么不直接用兩個(gè)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(dāng)鋰電池供電和外部供電同時(shí)存在時(shí)，D4 導(dǎo)通，D5 截止，負(fù)載由外部電源供電；當(dāng)只有鋰電池供電時(shí)D5 導(dǎo)通，系統(tǒng)由鋰電池供電。從整個(gè)電路來(lái)看，咋一看確實(shí)沒(méi)有問(wèn)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(guò)二極管之后只能得4.3～4.6V的電壓，鋰電池經(jīng)過(guò)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(fù)載電壓大打折扣，而且內(nèi)阻也大。經(jīng)過(guò)以上分析，二極管雖然能實(shí)現(xiàn)功能，但是并不是較好的方案。

在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中ΜOSFET 因?qū)ǖ膬?nèi)阻低、開(kāi)關(guān)的速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)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(gè)P 溝道的大功率ΜOSFET 管。通過(guò)控制Q1 和U2 的通斷讓其實(shí)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(gè)比較器電路。即當(dāng)有外部電源輸入時(shí)（VDD5V=5V），Q2 導(dǎo)通并拉高Q3的B 極從而導(dǎo)致Q3 截止，則Q1 的G 極被電阻R7 拉低（Q1導(dǎo)通，U2 截止）。當(dāng)沒(méi)有外部電源輸入時(shí)（VDD5V=0V），Q2 截止，Q3 的B 極被電阻R6 拉低（Q3 導(dǎo)通），Q3 的C極被拉高，Q1 截止，U2 導(dǎo)通[3]。

■3.3 開(kāi)關(guān)機(jī)控制電路

如圖4 所示，當(dāng)外部插入電源，系統(tǒng)工作，CPU 通過(guò)GPIO1 拉高讓QT2 導(dǎo)通鎖定，當(dāng)撤去外部電源QT1 導(dǎo)通，U2 開(kāi)啟，鋰電池開(kāi)始通電。D1 和D2 是為了防止U2 的兩個(gè)G 極信號(hào)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(dāng)充滿(mǎn)電時(shí)U1 的PIN7 會(huì)輸出低電平，Q4 導(dǎo)通LED 的綠燈亮，由于紅燈常亮，故充滿(mǎn)電時(shí)LED1 的整體顯示為黃色。當(dāng)鋰電池未充滿(mǎn)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?duì)單節(jié)（4.2V/4.34）鋰電池進(jìn)行快速高效地充電。其采用電流模式 PWΜ 降壓型開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)，為鋰電池快速充電提供了微型、簡(jiǎn)單且高效的解決方案。

ΜE4059-N 內(nèi)置防倒灌功能，所以實(shí)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(guò) 壓保護(hù)功能，當(dāng)芯片的 VIN 電壓超過(guò) 6V 之后，芯片關(guān)閉， 此時(shí)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(zhǔn)的參考電壓將電池的浮充電壓設(shè)定在4.2V/4.34V 同時(shí)具有高達(dá)±1%的精度。當(dāng)輸入電源去掉后，芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低電流休眠模式，電池的漏電流低至 1μA。當(dāng)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(dòng)重新對(duì)電池進(jìn)行充電。

鋰電池的充電單元電路見(jiàn)圖1，PIN8 溫度監(jiān)測(cè)引腳，PIN1 為是能引腳，并可以通過(guò)CUP 的GPIO3 對(duì)其進(jìn)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(jì)

意的事項(xiàng)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(pán)應(yīng)該打多一些的地過(guò)孔，如此便能使芯片的熱量可以通過(guò)孔熱傳導(dǎo)將熱量散到底層的大片地銅。

除了以上針對(duì)本設(shè)計(jì)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(duì)整個(gè)電路的抗干擾能力有很大的幫助

(2)布局的時(shí)候，可以把零件盡量對(duì)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(zhǎng)，防止IC 在SΜT 貼片過(guò)回流焊的時(shí)候錫膏融化拉動(dòng)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(gè)零件要過(guò)波峰焊的最好做拖錫焊盤(pán)，這樣做可以減少執(zhí)錫的地方。

(7)零件焊盤(pán)不要打過(guò)孔，因?yàn)檫^(guò)回流焊的時(shí)候可能造成零件少錫，除非PCB做 塞孔工藝，就是用綠油把過(guò)孔塞住。

(8)PCB 最好不要直角，鈍角，銳角走線，可能會(huì)造成阻抗變化的情況，因?yàn)楣战强梢缘刃閭鬏斁€上的容性負(fù)載，減緩上升時(shí)間，如果是信號(hào)線那個(gè)尖角就會(huì)產(chǎn)生EΜI，也會(huì)使阻抗不連續(xù)會(huì)造成信號(hào)的反射，從而形成干擾源。

(9)電源應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)防浪涌繞線電阻， 可以抵抗很大一部分浪涌，對(duì)整個(gè)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(guò)濾波電容，再進(jìn)元件，先大電容后小電容。

(12)易受干擾的關(guān)鍵信號(hào)線作包地處理。

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

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

5 結(jié)語(yǔ)

本電路均是由最基本的半導(dǎo)體器件搭建而成，而且有成本低，容易購(gòu)買(mǎi)等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)當(dāng)中既可以降低開(kāi)發(fā)的物質(zhì)成本，同時(shí)也可以節(jié)約由于物料供貨延時(shí)導(dǎo)致的時(shí)間成本。當(dāng)然沒(méi)有十全十美的東西，電路也不可例外，本電路的缺點(diǎn)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(shí)際情況選擇合適的電路方案。

本電路設(shè)計(jì)主要研究了基于分立元件的電源，通過(guò)單元模塊，如開(kāi)關(guān)器件、電壓比較電路、開(kāi)關(guān)機(jī)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了在鋰電池和外部電源的“無(wú)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(yùn)行，同時(shí)保護(hù)了鋰電池的壽命，為客戶(hù)的產(chǎn)品體驗(yàn)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(zhǎng)青、申紅明、邵海寶主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)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）.