带自锁功能的双电源供电系统自适应切换电路

2019-06-05 08:04佛山职业技术学院广东佛山528137
通信电源技术 2019年5期
关键词:双电源适配器低电平

林 为(佛山职业技术学院,广东 佛山 528137)

0 引 言

许多便携式电子产品使用电池供电,同时使用交流适配器(或USB,下文同)作为外部电源,即双电源供电。当不插入适配器时,负载由电池供电;当插入适配器时,负载由适配器供电。在这种双电源供电系统设计中,一个关键问题是解决电池和外部电源(交流适配器)之间的切换。这个切换过程应该做到自适应平稳无缝切换,无需人工干预,并且要保证输出电压符合要求,同时保证电源的高效率[1]。此外,当插入交流适配器时,除了切断电池的供电回路,还要考虑适配器对电池的作用:当产品采用非充电电池(如普通碳性电池或碱性电池)时,系统需防止对电池反向充电;当产品采用充电电池(如锂电池或铅酸电池)时,适配器要能通过一个充电管理电路对电池充电。

1 常见的双电源切换方案

方案1:单纯靠电源插座(Power Jack)的机械结构进行切换,插入适配器插头的同时断开电池供电触点。这种方法多见于老式电子产品,存在电压瞬时中断或波动大的问题,容易影响负载的正常工作。

方案2:在适配器支路和电池支路各串联一个肖特基二极管[1],如图1所示,要求适配器电压大于电池电压(如USB 5 V,锂电池3.7 V)。当插入适配器时,二极管D2反偏截止,只有适配器电源给负载供电;适配器断电或未插入时,电池通过二极管D2向负载供电,二极管D1防止电流从电池流入适配器。该方案设计简单,但由于二极管存在较大的导通电压(约为0.3 V),电池供电的损耗大、效率低,还会导致电池电压经过二极管后降低太多而无法驱动负载。

图1 采用肖特基二极管的切换电路

方案3:采用MOS管作为切换开关[1],如图2所示。电池正极接在MOS管的漏极,通过MOS管向负载供电,适配器连接到MOS管的栅极,并通过肖特基二极管(图a)或LDO(图b)向负载供电。图2中,Q为P沟道MOS管。

图2 采用MOS管作为切换开关示意图

假设电池为单颗锂电池,电压为3.7~4.2 V,肖特基二极管或LDO的压降约为0.3 V,负载接在MOS管的源极,工作原理说明如下:

(1)当适配器未接入或断电时,MOS管栅极通过R1下拉到地,VBAT经过Q1体内二极管到达源极,源极电压为3~3.5 V,Vgs为负值且小于Vgs(th),MOS管导通,负载使用电池供电。

(2)当适配器插入时,适配器(假设为5.0 V)通过D1(肖特基)或U1(LDO)到达源极,源极电压为4.7 V,此时Vgs=0.3 V(栅极电压高于源极电压),MOS管关断,负载使用适配器供电。

该方案利用MOS管的开关特性实现双电源无缝自动切换,由于MOS管导通电阻非常小,克服了方案2二极管导通压降大、损耗大的缺点。方案利用Vgs控制MOS管的通断,前提是适配器电压要大于电池电压。导通时,为保证MOS管在最大负载电流下能够获得期望的输出电压,应尽量选用低阀值MOS管。

方案4:集成电路方案。鉴于大部分便携式产品使用电池供电时都设计有相应的DC/DC变换器,以便电池在消耗中电压变低时仍能维持产品的正常工作。将控制电路和DC/DC变换器集成,便可组成高效的双电源切换电路。以特瑞仕半导体公司推出的DC/DC升压器XC9128为例,说明如下。

如图3所示,U1(XC9128)和L1构成DC/DC升压变换器,R1和R2监控适配器电压。当适配器未接入或断电时,AEN端为低电平,此时DC/DC变换器正常工作,电池向负载供电。如果接入适配器或插入USB接口时,AEN引脚电平由低变高,DC/DC内部N沟道MOS开关管关断,芯片停止工作,适配器通过LDO向负载供电。因此,使用XC9128系列可以轻松实现适配器与电池供电的自动切换。XC9128系列由于内置了导通电阻为0.2 Ω的N沟道MOS管和同步整流用的P沟道MOS管,能够稳定输出高达1 A的电流,且具有很高的转换效率。

类似地,采用DC/DC变换器芯片组成的双电源切换方案,可参考文献[1-3]。

2 问题的提出

方案3和方案4可以实现双电源的无缝切换且效率高,共同的特点是通过监测适配器电压控制适配器和电池的切换。在实际应用中,它存在以下问题。具有USB外设的各类电子产品,其USB的电流驱动能力差异很大。PC的USB可以提供稳定的500 mA电流,但有些产品(如部分打印机)的USB只能提供约200 mA电流。在手机大量普及的今天,市面和用户手上拥有大量电源适配器(手机充电器,大部分采用USB接口)。这些充电器提供电流的能力和电压纹波差异极大,质量参差不齐。使用这种电流不足的适配器或USB进行供电时,如果负载瞬间消耗的电流过大,则USB电压会瞬时下降,可能造成负载死机,或者在电池供电和适配器供电之间不停切换,甚至烧坏提供USB电源接口的设备。

图3 由XC9128构成的双电源切换电路

3 带自锁功能的适配器/电池双电源供电系统自适应切换电路

为解决上述问题,设计一款带自锁功能的适配器/电池双电源供电系统自适应切换电路。该电路利用实时检测电路,当发现适配器(或USB)无法驱动负载时,检测电路把电源切换回电池,使负载正常工作;当适配器电压因负载变轻临时恢复时,通过保持稳态电路继续维持电池供电,从而确保负载正常工作。具体电路如图4所示。检测电路由比较器U1、与非门U2、非门U3和U4、采样电阻R3和R4等组成。

当插入适配器时,U1反相端的电压V-=VusbR4/(R3+R4)(其中Vusb为适配器电压)。设定U1的Vref<V-,U1输出低电平,U2输出高电平,Q3和Q2导通,Q1截止,适配器通过Q2给负载供电。

当负载开启时或工作过程中瞬间超出适配器所提供的电流时,适配器电压下降。当Vref>V-时,U1输出高电平,U2输出低电平,Q1导通,Q3和Q2截止,电池通过Q1给负载供电。

U2、U3、U4组成稳态电路。当适配器电压出现跳变时,固定负载由电池端供电。当负载的供电电源切到电池后,如果适配器的电压因负载减少而恢复正常值,那么U1输出将由高电平变为低电平。但是,因U2的输出通过2个非门反馈到U2的另一输入端,将使U2的输出维持低电平,保证负载稳定由电池供电而不会再切换到适配器供电,从而避免了电池供电和适配器供电之间不停切换的问题,确保负载稳定工作。

4 结 论

许多便携式电子产品使用电池供电,同时使用交流适配器作为外部电源,即双电源供电。为了做到电池和适配器之间的平稳无缝切换,通常采用MOS管作为开关,利用适配器电压信号控制MOS的通断进行切换。但是,在有些场合,适配器或USB提供的电流无法满足负载需求,将引起外部电源瞬间下降,从而导致电池供电和适配器供电之间不停切换,影响负载的正常工作。为此,本文提出了一种带自锁功能的双电源供电系统自适应切换电路,通过实时采样适配器电压,自动实现适配器和电池供电的无缝切换。当适配器提供不了负载索取的电流时,说明此适配器不适合向该负载(电子产品)供电,此时自动切换到电池供电,并一直维持电池供电状态,避免电池供电和适配器供电之间不停切换,从而确保负载稳定工作。设计的电路具有简单可靠、成本低等优点,可用于各类双电源管理系统。

图4 带自锁功能的适配器/电池双电源供电系统自适应切换电路

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