一种基于分立元件的电源“无缝”切换电路设计

韦献雅，张鹤乐，归发智

（1.广西蓝天航空职业学院 航空工程学院，广西来宾，546100；2.广西蓝天航空职业学院 无人机学院，广西来宾，546100；3.深圳驰锐科技有限公司，广东深圳，518000）

1 绪论

在电子元器件高度集成化的今天，很多的功能都被集成到一个芯片上，这样使我们能在有限的空间放得下更多的功能器件。但是凡事都有利有弊，在给我们带来便利的同时也给我们带来成本问题。正如我们所知，高度集成的功能芯片一般都不会便宜，假设我们只需要芯片的某一个功能时，如果用整个芯片，其他功能用不上在造成资源浪费的同时生产成本也在增加。所以有时候能够用低成本的分立元器件方案实现高成本的集成电路方案的功能就十分的必要，同时分立元件搭建的电路有着抗干扰性强，电路原材料容易获取等优点[1]。

我们知道当今的电子产品种绝大部分都是带有备用锂电池的，那如何延长锂电池的寿命又是我们在电路设计当中需要首先要考虑的问题。比如系统在有外部电源供电的情况下，锂电池只接受充电不接受放电，当外部电源断开时，锂电池又能“无缝”的衔接给系统供电从而避免由于系统供电不及时而死机，如此能让锂电池的寿命延长也能保证系统的正常。到这里有人或许会想为什么不用电磁继电器？我们知道电磁继电器的每部结构为机械性接触开关，在继电器的开启与闭合之间存在极短的开路，并不能“无缝”衔接，而且弹片的接触瞬间会产生火化，也产生干扰电路的噪声信号。因此在对电源上电时序有着严格要求的芯片来电磁说继电器并不是个很优的方案。

本设计就是使用低成本的常规分立元器件搭建锂电池和外部电源的“无缝”切换的硬件电路设计。

2 分立元件总电路图

本电路的适用条件是外部电源输入为5V（注意：ΜOSFET 的ID最大值为5.5A，因此电路的负载功率不能超过27.5W），锂电池为3.7V，系统供电为3.5～5.2V 之间。功能概述：当有5V 的电源输入时，电路自主断开锂电池对系统的供电，同时由充电单元电路对锂电池进行充电。充满时，充电IC 断开对锂电池的充电。当没有外部5V 的电源输入时，主要由锂电池对系统进行供电。但是当没有外部电源输入的情况下，不能让锂电池一直处于过放（过度放电）的状态，这样的会大大的降低锂电池的使用寿命，因此CPU 需要对锂电池的电量进行实事的监控，当锂电池欠电时，由CPU 发出指令关闭锂电池对系统的供电。为了更直观观察到锂电池的状态，设置了充电指示灯，不同颜色分别代表锂电池的状态。

3 单元电路分析

■3.1 开关器件

相对于以上总电路图，很多人会有疑问，为什么不直接用两个二极管并联（如图2 所示）作为切换电路？

图1

图2

那么我们分析一下图2 电路的原理：当锂电池供电和外部供电同时存在时，D4 导通，D5 截止，负载由外部电源供电；当只有锂电池供电时D5 导通，系统由锂电池供电。从整个电路来看，咋一看确实没有问题，但是我们知道二极管主要是硅管或者锗管制造而成，不管是硅管还是锗管都有一定的内阻和正向导通电源，硅管是0.7V 的正向导通电压，锗管为0.4V。外部5V 输入经过二极管之后只能得4.3～4.6V的电压，锂电池经过二极管后只能得到3.5～3.8V 的电压。因此如果单单使用二极管作为切换电路，不仅得到的负载电压大打折扣，而且内阻也大。经过以上分析，二极管虽然能实现功能，但是并不是较好的方案。

在电路设计当中ΜOSFET 因导通的内阻低、开关的速度快等优点被广泛应用于开关电源中，如图3 所示，Q1 为P 沟道的大功率ΜOSFET 管，U2 为两个P 沟道的大功率ΜOSFET 管。通过控制Q1 和U2 的通断让其实现供电源的切换。

图3

■3.2 电压比较电路

如图3 所示Q2，Q3，R6，R7 搭建组成一个比较器电路。即当有外部电源输入时（VDD5V=5V），Q2 导通并拉高Q3的B 极从而导致Q3 截止，则Q1 的G 极被电阻R7 拉低（Q1导通，U2 截止）。当没有外部电源输入时（VDD5V=0V），Q2 截止，Q3 的B 极被电阻R6 拉低（Q3 导通），Q3 的C极被拉高，Q1 截止，U2 导通[3]。

■3.3 开关机控制电路

如图4 所示，当外部插入电源，系统工作，CPU 通过GPIO1 拉高让QT2 导通锁定，当撤去外部电源QT1 导通，U2 开启，锂电池开始通电。D1 和D2 是为了防止U2 的两个G 极信号相互干扰。

图4

■3.4 充电显示电路

如图1 所示LED1 为红绿双色灯，当充满电时U1 的PIN7 会输出低电平，Q4 导通LED 的绿灯亮，由于红灯常亮，故充满电时LED1 的整体显示为黄色。当锂电池未充满电U1 的PIN7 输出高电平，Q4 截止，绿灯不亮，则LED1的整体显示为红色。

■3.5 充电单元电路

ΜE4059 是一款具有恒流恒压充电模式的锂电池充电管理芯片。可以对单节（4.2V/4.34）锂电池进行快速高效地充电。其采用电流模式 PWΜ 降压型开关控制结构，为锂电池快速充电提供了微型、简单且高效的解决方案。

ΜE4059-N 内置防倒灌功能，所以实际应用不需要输入端接二极管防倒灌。大大降低了系统成本。芯片内置过 压保护功能，当芯片的 VIN 电压超过 6V 之后，芯片关闭， 此时芯片的 VIN 端可耐压 10V。

ΜE4059 由外部Sense 电阻设定出高精度的充电电流，内部由分压电阻和精准的参考电压将电池的浮充电压设定在4.2V/4.34V 同时具有高达±1%的精度。当输入电源去掉后，芯片会自动进入低电流休眠模式，电池的漏电流低至 1μA。当充电周期结束后，如果单节电池电压降到 4.1V/4.15V 后，芯片将自动重新对电池进行充电。

锂电池的充电单元电路见图1，PIN8 温度监测引脚，PIN1 为是能引脚，并可以通过CUP 的GPIO3 对其进行使能控制。

充电管理流程图如图5 所示。

图5

4 PCB 的电路LAYOUT 参考设计

意的事项有：(1)主要的电源线路尽可能的要粗要短（建议用铺铜的方式关联电路）。(2)电源的地回路尽可能的粗短（建议用铺铜的方式关联电路）。(3)由于电感部分为高频震荡区，因此功率电感下面不允许走线或铺铜，避免被干扰。(4)充电芯片的的热焊盘应该打多一些的地过孔，如此便能使芯片的热量可以通过孔热传导将热量散到底层的大片地铜。

除了以上针对本设计的一些LAYOUT的一些要求，还总结了另外的一些LAYOUT 要求：

(1)旁路电容尽量靠近IC 脚，这样对整个电路的抗干扰能力有很大的帮助

(2)布局的时候，可以把零件尽量对齐，可以增加板子美观。

(3)多层板的顶层IC 底部，最好铺一下铜，有助于IC散热以及抗干扰。

(4)贴片IC 的管脚不要做的太长，防止IC 在SΜT 贴片过回流焊的时候锡膏融化拉动而出现零件位置偏移。

(5)地管脚接地的线越短越好。

(6)插座或一些间距较小的，这个零件要过波峰焊的最好做拖锡焊盘，这样做可以减少执锡的地方。

(7)零件焊盘不要打过孔，因为过回流焊的时候可能造成零件少锡，除非PCB做 塞孔工艺，就是用绿油把过孔塞住。

(8)PCB 最好不要直角，钝角，锐角走线，可能会造成阻抗变化的情况，因为拐角可以等效为传输线上的容性负载，减缓上升时间，如果是信号线那个尖角就会产生EΜI，也会使阻抗不连续会造成信号的反射，从而形成干扰源。

(9)电源应该串联一个防浪涌绕线电阻， 可以抵抗很大一部分浪涌，对整个电路可以提升抗干扰能力。

图6

(10)电源线按“主线—支线”走成分支形，避免环形走线。

(11)电源先经过滤波电容，再进元件，先大电容后小电容。

(12)易受干扰的关键信号线作包地处理。

(13)布线时要合理安排导线和过孔位置，构造出大块的地，提高板子的EΜC 性能。

总之，遵循严格的布线要求，能够让电路运行得更加的稳定，俗话说“工欲善其事必先利其器”就是这个道理。

5 结语

本电路均是由最基本的半导体器件搭建而成，而且有成本低，容易购买等优点。在生产设计当中既可以降低开发的物质成本，同时也可以节约由于物料供货延时导致的时间成本。当然没有十全十美的东西，电路也不可例外，本电路的缺点是电子元件较多，在PCB 板上占用的空间较大。因此需要根据产品的实际情况选择合适的电路方案。

本电路设计主要研究了基于分立元件的电源，通过单元模块，如开关器件、电压比较电路、开关机控制电路、充电显示电路、充电单元电路等，以及PCB 的电路LAYOUT 参考设计，实现了在锂电池和外部电源的“无缝”衔接给系统供电。最大程度上确保系统的正常稳定运行，同时保护了锂电池的寿命，为客户的产品体验大大的提升。

参考文件

* [1]林为.带自锁功能的双电源供电系统自适应切换电路[J].通信电源技术.2019(05)

* [2]宋长青、申红明、邵海宝主编.模拟电子技术基础[M].清华大学出版社. 2020（07）.

* [3]朱小明、杨绪业、郭小娟主编.模拟电路与数字电路[M].人民邮电出版社.2019（10）.