電子書閱讀器內置鋰電池供電自動切換電路

▲ 本文要分析的電路

很多內置有鋰電池的便攜電子設備，比如手機，通常采用這樣的供電方式：

1、沒有插入USB電源時，使用內置的鋰電池供電。

2、當插入USB電源時，切換為由外置的USB電源供電，并對鋰電池進行充電。

下圖電路就是實現上述的功能，它來自一款電子書閱讀器（Kindle同類產品）：

這是已量產的電路，成熟穩定，實物電路板如下圖所示，幾個關鍵的元器件做了標注：

本文要講解的是“外置USB供電與內置鋰電池供電的自動切換電路”，所以先把上述電路中不相關的電路隱藏。 也就是隱藏鋰電池充電管理、電源濾波等電路：

隱藏后變成這樣：

這一下子，電路變得好簡單，實現電源切換的功能，竟然只需要一個二極管、一個MOS管、一個電阻！ 一、電路說明 將上述的“外置USB供電與內置鋰電池供電自動切換電路”整理一下，弄好看點：

功能邏輯是這樣的：

1、當插著USB電源時，由外置的USB電源供電，即VBUS對VOUT供電。

2、當拔掉USB電源時，切換為由內置的鋰電池供電，即VBAT對VOUT供電。

3、當重新插入USB電源時，切換為由外置的USB電源供電，即VBUS對VOUT供電。

二、原理分析 假設VBUS的電壓為5V，VBAT的電壓為3.7V，下面開始分析。 1、當插著USB電源時： VBUS通過肖特基二極管D9到達VOUT。

肖特基二極管的導通壓降約為0.3V，USB電壓VBUS = 5V，所以： VOUT = 5V - 0.3V = 4.7V 由于VBAT為3.7V，MOS管Q4的s極為4.7V，g極為5V，由此可知： Vgs = 5V - 4.7V = 0.3V > 0 所以MOS管處于不導通狀態,同時其體二極管也是反向截止。 由于電阻R155的存在，會浪費一些功耗，流過R155的電流為： 5V / 10Kohm = 0.5mA 2、當拔掉USB電源時： VBUS的電壓會從5V開始往下降，電阻R155起到給VBUS放電的作用。 VBUS的電壓需要快速下降，因為如果下降慢了，會導致MOS管Q4打開變慢，也就不能很快地切換為電池VBAT供電。 如下圖，假設VBUS緩慢下降到4.9V，即MOS管Q4的g極為4.9V。電池電壓VBAT通過MOS管Q4的體二極管后降低了約0.7V，變為3V，即MOS管的Vgs電壓為： 4.9V - 3V = 1.9V > 0 MOS管仍然不導通，VOUT的供電沒有完全切換為VBAT。

假設VBUS已經下降為1V，如下圖。 則Vgs = 1V - 3V = -2V，MOS管已經逐漸打開。

最終，VBUS會降到0V，MOS管也會完全打開，VOUT切換為用VBAT供電，VOUT電壓變為3.7V：

VBUS接的濾波電容會令其電壓下降緩慢，如果發現VBUS的電壓下降過慢，可以減小R155的阻值。但是這樣會導致在插入USB電源時，流過R155的電流變大，增加了無謂的功耗。 所以R155的阻值不能過大也不能過小，需根據實際調試的效果來決定。 入USB電源時： 如下圖，MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0，MOS管不導通，并且其體二極管也是反向偏置。 VOUT切換為用VBUS供電，Vout電壓變為4.7V。

三、性能提升 在拔掉USB電源的瞬間，有沒有可能MOS管Q4來不及打開，導致VBAT的電壓沒有及時切過來？ 是有可能的。 MOS管Q4沒有快速打開，VBAT供電不能及時續上來，會導致VOUT電壓下降過多，VOUT的負載電路就可能工作異常。如果電路的負載較重，拉取的電流較大，尤其容易出現在供電電源切換時VOUT電壓下降過多的問題。 怎么辦呢？

1、可以加快MOS管打開導通的速度。方法是減小VBUS的濾波電容的容值，減小電阻R155的阻值，這都是讓VBUS快速掉電，從而讓Vgs快點到達令MOS管完全打開的電壓。

2、在VOUT增加濾波電容，但是效果不怎么明顯。

3、這是重點！可以給MOS管并聯一個肖特基二極管D1，如下圖所示：

? 該肖特基二極管D1的正向導通壓降約為0.3V，比MOS管的體二極管要小。在MOS管完全打開之前，VBAT通過肖特基二極管D1對VOUT進行供電，可以緩解VOUT電壓下降過多的問題。 這個方法非常實用，該電路與方法已經被申請了實用新型專利。其實很多再普通不過的電路都被申請了實用新型專利，盡管這些電路被大眾長期使用在先，具體就不展開了。 四、應用案例 除了上述的電子書閱讀器有應用之外，還有大量的產品使用了這個切換電路。 比如MicroPython領域著名的01Studio公司，其出品的多款開發板都有這個切換電路。 以其中的一款型號為“pyWiFi-ESP32”的開發板舉例，其電源部分的電路圖如下：

其中，電源切換相關的電路在這里：

標注對應的實物圖：

責任編輯：彭菁