USB供电与内置锂电池供电自动切换电路，经典电路必须掌握

硬件笔记本

n2s1gdgbrdv6405011720.png

0 U6 Z3 t! @4 q4 s. ], l( h- N▲ 本文要分析的电路
& W) e5 ?; Y& O- t很多内置有锂电池的便携电子设备，比如手机，通常采用这样的供电方式：1、没有插入USB电源时，使用内置的锂电池供电。
: |0 e# g( A5 f2、当插入USB电源时，切换为由外置的USB电源供电，并对锂电池进行充电。
6 o) O" N9 a3 ~4 V6 |) Y0 Q& ^下图电路就是实现上述的功能，它来自一款电子书阅读器（Kindle同类产品）：

xu4qjfnj53j6405011821.png

, w% i) a, i8 C: _1 H; \: L
/ x2 q& s0 _' z% i, |$ @0 n  ^9 ~这是已量产的电路，成熟稳定，实物电路板如下图所示，几个关键的元器件做了标注：
  b1 ?5 N& M( o) \8 ^" I" ~8 @' }

b2vloglmrco6405011921.jpg

) l1 T) D7 Y& ?: X' X
2 u* I; T- i! b  t本文要讲解的是“外置USB供电与内置锂电池供电的自动切换电路”，所以先把上述电路中不相关的电路隐藏。也就是隐藏锂电池充电管理、电源滤波等电路：
# E: d3 c( |: o; I

jxgr5t25q426405012021.gif

隐藏后变成这样：
2 h; m9 U0 P. R9 j

k1ycacv0szb6405012121.png

3 A& {2 Q0 `& a" z. Y5 t% n这一下子，电路变得好简单，实现电源切换的功能，竟然只需要一个二极管、一个MOS管、一个电阻！
# g$ v8 H& Q& y' h3 A一、电路说明将上述的“外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路”整理一下，弄好看点：

) G9 m; S7 ~0 o
/ F. V. f4 F% n! [% g6 F& A功能逻辑是这样的：1、当插着USB电源时，由外置的USB电源供电，即VBUS对VOUT供电。
9 a0 D* I1 S8 p4 R% i6 u/ s
2、当拔掉USB电源时，切换为由内置的锂电池供电，即VBAT对VOUT供电。

) A' y% R/ ]5 j; A8 U$ L5 G3、当重新插入USB电源时，切换为由外置的USB电源供电，即VBUS对VOUT供电。
& _0 f$ k+ |/ S
) t* t5 {9 f$ o$ a) j( B二、原理分析假设VBUS的电压为5V，VBAT的电压为3.7V，下面开始分析。1、当插着USB电源时：VBUS通过肖特基二极管D9到达VOUT。
8 ], z% q- p* n5 S7 V' `0 N

xxueoewmjur6405012221.png

% g! @" x( ?  y. @肖特基二极管的导通压降约为0.3V，USB电压VBUS = 5V，所以：VOUT = 5V - 0.3V = 4.7V由于VBAT为3.7V，MOS管Q4的s极为4.7V，g极为5V，由此可知：Vgs = 5V - 4.7V = 0.3V > 0所以MOS管处于不导通状态,同时其体二极管也是反向截止。由于电阻R155的存在，会浪费一些功耗，流过R155的电流为：5V / 10Kohm = 0.5mA2、当拔掉USB电源时：VBUS的电压会从5V开始往下降，电阻R155起到给VBUS放电的作用。VBUS的电压需要快速下降，因为如果下降慢了，会导致MOS管Q4打开变慢，也就不能很快地切换为电池VBAT供电。如下图，假设VBUS缓慢下降到4.9V，即MOS管Q4的g极为4.9V。电池电压VBAT通过MOS管Q4的体二极管后降低了约0.7V，变为3V，即MOS管的Vgs电压为：4.9V - 3V = 1.9V > 0MOS管仍然不导通，VOUT的供电没有完全切换为VBAT。
* M( {( l, A4 j4 {9 `

mroyk2zejnc6405012321.png

1 L; `% R  \' G& _! v9 v( N) y
3 Q0 T/ G5 F( b5 U* m( |! `假设VBUS已经下降为1V，如下图。则Vgs = 1V - 3V = -2V，MOS管已经逐渐打开。

pt4cyfqtyt36405012421.png

( Y- @1 M# [- I  o" r: S6 @最终，VBUS会降到0V，MOS管也会完全打开，VOUT切换为用VBAT供电，VOUT电压变为3.7V：

nkv3nbqqbvr6405012521.png

+ v2 l, ?  B) y& C1 N4 VVBUS接的滤波电容会令其电压下降缓慢，如果发现VBUS的电压下降过慢，可以减小R155的阻值。但是这样会导致在插入USB电源时，流过R155的电流变大，增加了无谓的功耗。所以R155的阻值不能过大也不能过小，需根据实际调试的效果来决定。
  m, G; O- c9 S/ S2 N7 J入USB电源时：
/ ^; Z* u. P0 d1 s2 w如下图，MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0，MOS管不导通，并且其体二极管也是反向偏置。VOUT切换为用VBUS供电，Vout电压变为4.7V。
  D8 n! _1 ]( u

5 v% o. f  \- l1 ?; F三、性能提升在拔掉USB电源的瞬间，有没有可能MOS管Q4来不及打开，导致VBAT的电压没有及时切过来？是有可能的。MOS管Q4没有快速打开，VBAT供电不能及时续上来，会导致VOUT电压下降过多，VOUT的负载电路就可能工作异常。如果电路的负载较重，拉取的电流较大，尤其容易出现在供电电源切换时VOUT电压下降过多的问题。怎么办呢？1、可以加快MOS管打开导通的速度。方法是减小VBUS的滤波电容的容值，减小电阻R155的阻值，这都是让VBUS快速掉电，从而让Vgs快点到达令MOS管完全打开的电压。
( U. y9 i1 y$ _9 q- ^! P
2、在VOUT增加滤波电容，但是效果不怎么明显。

4 H' |; L/ `6 u6 `4 r/ k3、这是重点！可以给MOS管并联一个肖特基二极管D1，如下图所示：

" F+ P! _9 `+ A# d  w- ?* V

jalidp2ogsb6405012621.png

  O8 Z, u8 S, T! `6 P9 v2 t0 K该肖特基二极管D1的正向导通压降约为0.3V，比MOS管的体二极管要小。在MOS管完全打开之前，VBAT通过肖特基二极管D1对VOUT进行供电，可以缓解VOUT电压下降过多的问题。这个方法非常实用，该电路与方法已经被申请了实用新型专利。其实很多再普通不过的电路都被申请了实用新型专利，尽管这些电路被大众长期使用在先，具体就不展开了。
四、应用案例除了上述的电子书阅读器有应用之外，还有大量的产品使用了这个切换电路。比如MicroPython领域著名的01Studio公司，其出品的多款开发板都有这个切换电路。以其中的一款型号为“pyWiFi-ESP32”的开发板举例，其电源部分的电路图如下：
/ o2 K2 ^5 J6 q/ W/ o1 I

krr2ov0zapk6405012721.png

其中，电源切换相关的电路在这里：
4 V$ v: I. _4 Y! Y7 [( U

vjgaqk3zpew6405012821.png

. J: v! {( E# p- X8 B
标注对应的实物图：
1 ^# F; Y1 W" ~

yastgdo22qn6405012922.jpg