林 為（佛山職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

許多便攜式電子產(chǎn)品使用電池供電，同時使用交流適配器（或USB，下文同）作為外部電源，即雙電源供電。當不插入適配器時，負載由電池供電；當插入適配器時，負載由適配器供電。在這種雙電源供電系統(tǒng)設計中，一個關鍵問題是解決電池和外部電源（交流適配器）之間的切換。這個切換過程應該做到自適應平穩(wěn)無縫切換，無需人工干預，并且要保證輸出電壓符合要求，同時保證電源的高效率[1]。此外，當插入交流適配器時，除了切斷電池的供電回路，還要考慮適配器對電池的作用：當產(chǎn)品采用非充電電池（如普通碳性電池或堿性電池）時，系統(tǒng)需防止對電池反向充電；當產(chǎn)品采用充電電池（如鋰電池或鉛酸電池）時，適配器要能通過一個充電管理電路對電池充電。

1 常見的雙電源切換方案

方案1：單純靠電源插座（Power Jack）的機械結(jié)構(gòu)進行切換，插入適配器插頭的同時斷開電池供電觸點。這種方法多見于老式電子產(chǎn)品，存在電壓瞬時中斷或波動大的問題，容易影響負載的正常工作。

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）。當插入適配器時，二極管D2反偏截止，只有適配器電源給負載供電；適配器斷電或未插入時，電池通過二極管D2向負載供電，二極管D1防止電流從電池流入適配器。該方案設計簡單，但由于二極管存在較大的導通電壓（約為0.3 V），電池供電的損耗大、效率低，還會導致電池電壓經(jīng)過二極管后降低太多而無法驅(qū)動負載。

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[1]，如圖2所示。電池正極接在MOS管的漏極，通過MOS管向負載供電，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管作為切換開關示意圖

假設電池為單顆鋰電池，電壓為3.7～4.2 V，肖特基二極管或LDO的壓降約為0.3 V，負載接在MOS管的源極，工作原理說明如下：

（1）當適配器未接入或斷電時，MOS管柵極通過R1下拉到地，VBAT經(jīng)過Q1體內(nèi)二極管到達源極，源極電壓為3～3.5 V，Vgs為負值且小于Vgs(th)，MOS管導通，負載使用電池供電。

（2）當適配器插入時，適配器（假設為5.0 V）通過D1（肖特基）或U1（LDO）到達源極，源極電壓為4.7 V，此時Vgs=0.3 V（柵極電壓高于源極電壓），MOS管關斷，負載使用適配器供電。

該方案利用MOS管的開關特性實現(xiàn)雙電源無縫自動切換，由于MOS管導通電阻非常小，克服了方案2二極管導通壓降大、損耗大的缺點。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。導通時，為保證MOS管在最大負載電流下能夠獲得期望的輸出電壓，應盡量選用低閥值MOS管。

方案4：集成電路方案。鑒于大部分便攜式產(chǎn)品使用電池供電時都設計有相應的DC/DC變換器，以便電池在消耗中電壓變低時仍能維持產(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。當適配器未接入或斷電時，AEN端為低電平，此時DC/DC變換器正常工作，電池向負載供電。如果接入適配器或插入USB接口時，AEN引腳電平由低變高，DC/DC內(nèi)部N溝道MOS開關管關斷，芯片停止工作，適配器通過LDO向負載供電。因此，使用XC9128系列可以輕松實現(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[1-3]。

2 問題的提出

方案3和方案4可以實現(xiàn)雙電源的無縫切換且效率高，共同的特點是通過監(jiān)測適配器電壓控制適配器和電池的切換。在實際應用中，它存在以下問題。具有USB外設的各類電子產(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）的USB只能提供約200 mA電流。在手機大量普及的今天，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進行供電時，如果負載瞬間消耗的電流過大，則USB電壓會瞬時下降，可能造成負載死機，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電源接口的設備。

圖3 由XC9128構(gòu)成的雙電源切換電路

3 帶自鎖功能的適配器/電池雙電源供電系統(tǒng)自適應切換電路

為解決上述問題，設計一款帶自鎖功能的適配器/電池雙電源供電系統(tǒng)自適應切換電路。該電路利用實時檢測電路，當發(fā)現(xiàn)適配器（或USB）無法驅(qū)動負載時，檢測電路把電源切換回電池，使負載正常工作；當適配器電壓因負載變輕臨時恢復時，通過保持穩(wěn)態(tài)電路繼續(xù)維持電池供電，從而確保負載正常工作。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。

當插入適配器時，U1反相端的電壓V-=VusbR4/(R3+R4)（其中Vusb為適配器電壓）。設定U1的Vref＜V-，U1輸出低電平，U2輸出高電平，Q3和Q2導通，Q1截止，適配器通過Q2給負載供電。

當負載開啟時或工作過程中瞬間超出適配器所提供的電流時，適配器電壓下降。當Vref＞V-時，U1輸出高電平，U2輸出低電平，Q1導通，Q3和Q2截止，電池通過Q1給負載供電。

U2、U3、U4組成穩(wěn)態(tài)電路。當適配器電壓出現(xiàn)跳變時，固定負載由電池端供電。當負載的供電電源切到電池后，如果適配器的電壓因負載減少而恢復正常值，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，確保負載穩(wěn)定工作。

4 結(jié) 論

許多便攜式電子產(chǎn)品使用電池供電，同時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，利用適配器電壓信號控制MOS的通斷進行切換。但是，在有些場合，適配器或USB提供的電流無法滿足負載需求，將引起外部電源瞬間下降，從而導致電池供電和適配器供電之間不停切換，影響負載的正常工作。為此，本文提出了一種帶自鎖功能的雙電源供電系統(tǒng)自適應切換電路，通過實時采樣適配器電壓，自動實現(xiàn)適配器和電池供電的無縫切換。當適配器提供不了負載索取的電流時，說明此適配器不適合向該負載（電子產(chǎn)品）供電，此時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，從而確保負載穩(wěn)定工作。設計的電路具有簡單可靠、成本低等優(yōu)點，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)自適應切換電路