带自锁功能的双电源供电系统自适应切换电路

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