奥普森UPS
奥普森UPS报价
奥普森UPS官网

电池与适配器供电如何自动切换?双电源有什么办法可以自动切换?

2020/01/01 修正。增加改良电路。

我们使用笔记本时,当有电时通过适配器供电给笔记本,当停电时,自动切换到电池供电。且切换过程中笔记本不会断电。那么这种功能是如何实现的?

在一个使用GSM/GPRS模块的项目中要求平时通过5V适配器供电(USB线),当停电时能够自动切换到电池供电,并且切换时不会断电。于是将项目中设计的电源自动切换电路做一个介绍,该电路如下:

电源自动切换电路

如图所示,MOS管为PMOS,具体型号为AO3401,D极接入锂电池,即Vbat电压为3.2V~4.2V,VUSB为适配器电压5V,二极管选用普通二极管S2M。R20为10K,R21和R22没有贴。

一、功能讲解

当接上电池时,不管G级是否有电,因为PMOS管内部寄生二极管的作用,Vbat通过MOS管内部寄生二极管的压降后电压为Vbat-0.7,因为Vbat位于3.2V~4.2V,所以,压降后的值在2.5V~3.5v之间。

简约版:

1. 当接上适配器时,VUSB为5V,通过二极管D1后的压降为5V-0.7V=4.3V,因为4.3V>3.5V,所以PMOS内部二极管将截止(阴极电压大于阳极电压,二极管将截止)。这时后端电路是通过VBUS通过二极管D1供电,其值Vdd=Vusb-Vd1(Vd1为D1的压降,S2M约为0.7V~1.1V,所以Vdd输出约为3.9V~4.3V之间,满足GSM模块3.4V~4.4V的供电要求,同时D1可通过2A电流,USB线由适配器供电,因为适配器规格5V/2A,所以GSM模块可正常工作)。

这时,我们再看看PMOS管,Vgs=0.7V, Vth=-0.7V,即Vgs>Vth,PMOS管截止,Vd与Vs断开,但是因为PMOS管内部寄生二极管的作用,Vbat依然会通过内部寄生二极管的作用给后端电路供电,因为接上了适配器让内部寄生二极管处于截止状态,所以后端电路才通过VUSB供电。

2. 当5V的适配器断电或者未接VUSB时,VBUS为0V,Vgs在-2.5V~3.5V之间,Vth=-0.7V,所以Vgs<Vth,PMOS导通,Vd与Vs通路,Vdd=Vbat-I*Rds,I*Rds的值很小,因为其值小于PMOS管内部二极管压降,所以PMOS管内部二极管被旁路,所以Vdd约等于Vbat电压。

详细版(PMOS管原理):

1. 当VBAT接入,VUSB没接入时,G级被电阻R20下拉到地,VBAT经过寄生二极管到达S级,S级电压为2.5V~3.5V,Vgs = Vg-Vs = -2.5V到-3.5V,Vgs < Vgs(th),PMOS管导通,导通后进一步使得Vd与Vs电压相近(Vds之间压差为Rds*I,I为流过的电流。Rds为50毫欧,假设流过的电流2A,50毫欧*2A压差只有0.1V),可认为VDD处电压为VBAT。

2. 当VUSB接入,VBAT没接入时,Vg=5V,通过D1降压后到达S级,S级电压为4.3V,此时Vgs = 0.7V > Vgs(th),PMOS管关断,同时因为4.3V大于Vbat通过寄生二极管的压降之后最大的电压3.5v,PMOS内部寄生二极管截止,所以后端电路通过VUSB供电,VDD处电压为4.3V。

3. 当VBAT和VUSB同时接入时,和上面情况类似,由于PMOS管关断且内部寄生二极管截止,VBAT不能到达S级,VDD处电压由VUSB通过二极管D1降压得来,电压为4.3V。

【注:AO3401管Vgs为-0.5V到-1.3V,典型值为-1.0V】

由此,可以得出该电路功能:

当VBAT接入,VUSB没接入时,电路由VBAT供电输出;当VUSB接入,VBAT没接入时,电路由VUSB供电输出;当VBAT和VUSB同时接入时,电路由VUSB供电输出。Vbat和Vbus供电切换时,电路不会断电。

二、功能测试:

供电测试:

只接入USB时,GSM模块可正常工作。只接入电池时,GSM模块可正常工作。

自动切换功能测试:

1. 同时接入USB 和电池,拔掉USB,发现GSM模块正常工作未重启。

2. 同时接入USB 和电池,拔掉电池,发现GSM模块正常工作未重启。

三、性能测试:

关键参数测试:

1. 插上USB供电时(电脑USB口),插上电池:

实测D1阳极即VUSB为4.93V 阴极4.14V 即D1压降为0.79V(用万用表测D1两端压降为0.77V,两者吻合)

2. 插上USB供电时(适配器),插上电池:

实测D1阳极即VUSB为5.17V 阴极4.39V 即D1压降为0.78V(用万用表测D1两端压降为0.77V,两者吻合)

3. 插上USB供电时(电脑USB口),拔掉电池:

实测D1阳极即VUSB为 4.96V 阴极为4.19V 即D1压降为0.77V(用万用表测D1两端压降为0.77V,两者吻合)

4. 拔掉USB时,由电池供电:

实测电池电压:4.13V

实测D1正极即VUSB为0V, 阴极4.10V 即MOS管内部二极管两端压降为4.13-4.10V=0.03V

总结:

1. 该电路可自动切换由电池供电还是USB供电,插上USB时由USB供电,拔掉USB后由电池供电。

2. 通过电池供电时,通过MOS管的压降Vds极低,这样对于电池供电的场合其额外的损耗极小。

假设使用条件改变,使用了9V电池,即Vbat为9V,该电路将通过PMOS管寄生二极管供电。直到Vbat电压放电小于5V之后才会通过USB供电。

改电路存在的问题:因为二极管压降0.7V,通过电流2A时,功耗为1.4W,这个消耗很大。改良电路如下:

《改电路还有些许问题,不可使用》

电路功能:接上VCC优先通过VCC供电【即VOUT通过VCC输出】;VCC断电后通过VDD供电【即VOUT通过VDD输出】

使用条件:VDD小于等于VCC。


上一篇:ups供电几种方式?
下一篇:想给ups更换蓄电池,不知道如何选择电池?