电源自动切换初识

【前提：这里以一般的单片机产品为例，使用3.3V的供电系统，常见的USB供电、外接电源设配器供电和电池供电】

一、经典二极管切换电路

这是最简单的电源切换电路：二极管并联，理论上支持无数个电源切换，缺点是必然存在二极管的导通压降。为了降低压降一般选择肖特基二极管(最大0.3V压降)

1.1 工作原理：

两个或者多个电源，根据供电电压的高低自动选择，哪边的电压高用哪边

1.2 注意事项：

① 如果我们的系统是使用3.3V供电，而3.3V供电需要由输入电源5V(USB/外界适配器)经过LDO或DCDC电路降压得到，那时候使用哪种二极管都无所谓（不care压降），但需要留意用普通二极管(最大0.7V压降)时得选择低压差的LDO(超低压差可以达到100mV)

② 如果我们使用二极管切换电路做电池电源切换时，可能会存在一些问题：

电池电压有很多种，比如4.2V、4.35V、4.4V聚合物锂电池，2.0~3.65V磷酸铁锂电池，2.6~4.2V 钴酸锂离子电池等。这时候普通二极管的0.7V压降显然不可以，得选择肖特基二极管，即使这样，这个压降对于电池来说还是太浪费了。而且肖特基二极管的压降越低时，它的反向漏电流越大，这时候需要考虑到在电池端是否能够“忍受”这个反向电流的流入(大部分锂电池不能接受电流直接流入）

1.3 适用场景：

供电电源相近的场合，供电电源为外接适配器，USB等（暂时不考虑电池供电），是性价比最高的电路

二、经典MOS管切换电路

2.1 MOS管切换电路经典电路

5V电源和电池的场合，使用一个MOS管作为备用电源(电池)开关的经典电路：

使用这个电路有几点需要注意的地方：

①注意PMOS管方向，我们需要用PMOS管的体二极管来导通MOS管

②PMOS管的体二极管起到和二极管切换电路一样的作用，防止在有VUSB的时候，VUSB电压直接到了电池

③目前该电路只适用于VUSB≥VBat的情况，当VBat-VSO-VUSB>Vgsth时，Q1不管VUSB供没供电都会导通

2.2 工作原理：

当VUSB有电，PMOS管截止，即便有体二极管电流流过，但是因为VUSB会比 Vbat 电压高，PMOS的|Vgs|<Vgsth，所以PMOS体二极管截止，负载由 VUSB 供电；当VUSB没电，|Vgs|>Vgsth，PMOS导通，负载由 VBat 供电

2.3 注意事项：能否无缝自动切换？

无缝自动切换指的是，在有 VUSB 和电池同时供电的情况下，忽然去掉一个，负载能否保持正常工作而不复位或者出异常。实际上大多情况都是去掉 VUSB 后能否切换至电源供电而不出问题。

关于这个问题，其实是比较复杂的，决定能否无缝自动切换的因数有很多，一般在使用的时候都是根据自己的情况调整一些元器件使得能够实现无缝自动切换，这里说明一些可能影响能否无缝自动切换的因数：

①MOS管参数

我们知道，MOS管有一个阈值电压，阈值电压越小，MOS管越容易导通。在MOS管选型的时候可以根据适当情况调整：

②上图R2电阻

在上图中，MOS管的 G 极到 GND 有一个电阻R2, 这个R2的阻值越小，MOS管导通速度越快。但需要注意的是，这个R2是一直在耗电的，如果太小，那么系统额外白白浪费的功耗就越多

③Vout端滤波电容

实际上，Vout端如果有大一点的滤波电容，电容可以储存一定的能量，会使得无缝切换更加稳定

④Vin端电容

Vin端的电容实际上就是 VUSB 入口处的电容，在上图中是没有的，当然这里提出来也是说明不建议加，因为加了VUSB的掉电更缓慢，导致 PMOS 导通时间加长。原理同上面Vout的滤波电容一样

⑤负载功耗

负载功耗这个倒是我们无法改变的，但是他确实会影响自动切换，如果负载功耗太大，那么是有可能会导致系统复位的。反正就是负载功耗越大，越容易在电源切换的时候出问题。这时候一般来说，可以试着增加 Vout 端的滤波电容大小

⑥MOS管并联一个肖特基二极管

肖特基二极管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

三、经典电路变种

3.1 二极管经典电路变种

该变种是二极管切换电路的变种，比单纯的二极管切换电路略好(安全角度考虑)，支持电源和电池切换

3.1.1 工作原理

这个电路理解起来很简单，原理也是|Vgs|>Vgsth时, PMOS管导通，和二极管经典电路一样存在D1和D2的导通压降

3.2 MOS管经典电路变种1

由于MOS管经典电路一直存在二极管导通压降，因此可以用一个MOS管代D1，电路变成下面这样：

3.2.1工作原理：

typec口用来接入电源5V(5V/2A)，当typec电源插入时，5V首先经过Q13的内置二极管进入后级，此时Q13G极接地（USB_GND接到typec的1脚，利用typec头的特性1脚和12脚相通并且接地）从而Q13导通，VOUT电压接近5V。Q12由于G极有5V电压从而截止，电池通过Q12内部二极管进入后级，又因为A点电压有5V，所以电池不处于工作状态。typec电源去除时(插头拔出)，Q13的G极悬空从而截止，Q12的G极继而为0V，Q12导通，VOUT电压接近电池电压。这种电路与直接串接二极管D1相比能减少能量损耗

3.2.2 注意事项：

①该电路优点：相对于于经典电路没有D1的导通压降

②在做电源切换为电池时，需要将电源插头拔出，否则Q12的源极将会被拉到USB_GND，同时电池通过Q12的MOS体二极管进行供电，此时Q12不一定能导通，压降相当大

③同样只适用于VUSB≥VBAT+的情况

3.3 MOS管经典电路变种2

3.3.1 工作原理：

Vin1 是主电源，Vin2 是备用电源

理论：当 Vin1 和 Vin2 都有电的时候会使用Vin1，只要有 Vin1 ，Q1导通使得 Q2 的G极接地，然后Q2也导通，Q3的 G极连接 VIn1，S极基本也是Vin1（比Vin1小一点点，几十mV），所以Q3截止，Vout 来自 Vin1。没有Vin1时，Q3的G极被弱下拉至GND，此时Q3导通，Q1和Q2关闭，Vout 来自 Vin2

3.3.2 注意事项：

①该电路未被验证，存在实际问题：当把VIN1去掉时另一个电源VIN2通过Q3给到VOUT，由于适配器拔掉的时候，上面的MOS有一定的放电时间，即Q2已经导通，会造成VOUT反馈电压回到VIN1，这段时间电池的电压就过去了，会持续给电源输电，同时造成Q1和Q2持续导通，此时Q3的G极和S极压差极小（寄生二极管压降）导致Q3无法导通，Vin2只能通过体二极管工作，有烧Q3和Vin1电源的风险

②R1当Vin1供电时一直有电流，处于发热状态，Vin1能源被浪费了

③只使用于Vin1>Vin2的场合，当Vin2-VQ3OS-Vin1>Vgsth时，Q3会导通，同时Q2也会导通，会导致电源短路

3.4 MOS管经典电路变种3

该电路为MOS管经典电路变种2的改进，增加一个NMOS避免3.3.2注意事项②