Arduino Uno的多種供電方式 電源選擇電路的原理

世界上最常用的開發(fā)板，Arduino Uno，支持多種供電方式，大致分為兩類：5V直接供電與更高電壓經(jīng)LDO（Low Dropout Regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器）后供電。神奇的是，當兩種電源都連接時，開發(fā)板會自動選擇后者，而不會讓兩者沖突。

完整的原理圖可以在這里查看。由于整張圖比較大，我把電源部分抽出來自己畫了一遍。

V1和VBUS分別是外接電源和USB供電；S1和S2用于控制兩個電源的連接狀態(tài)；D1是防反接保護二極管；U1和U2分別是5V和3.3V LDO；U3是LMV358低壓軌至軌運放，起到比較器的作用；R1和R2構(gòu)成分壓電路，把外接輸入電壓減去二極管壓降的一半作為運放同相輸入；Q1是一個P溝道MOS管；VCC是輸出的5V電源。（以上名詞不懂的請自行百度。）

簡單分析一下：如果S1閉合，U1給VCC5V輸出，運放有供電，反相輸入為U2輸出的3.3V，正相電壓高于反相，運放輸出5V，Q1柵極與源極電壓相等，不導(dǎo)通，無論S2是否閉合，VBUS都不會輸出電流。

如果S1斷開，且電路已經(jīng)通過VBUS電源供應(yīng)正常工作，那么類似分析可得運放輸出0V，Q1柵極電壓比源極電壓低5V，MOS管導(dǎo)通，VBUS通過Q1給VCC5V輸出，電路繼續(xù)正常工作。

但是在只有USB供電的情況下，電路上電時會怎樣？有網(wǎng)友也提出了這樣的疑問。

I half understand the Arduino Uno power select circuit that uses as p-FET to disconnect the USBVCC when an external Vin is supplied, but one bit baffles me. If no external supply is connected then at startup what state is the p-FET in? If the p-FET is ON (Vgs -ve) then USBVCC powers the LMV358 op-amp which compares 3v3 to 0V and drags the p-FET gate voltage down and it all works (although the initial p-FET source voltage is floating). But if the p-FET is OFF then the LMV358 has no power, so the p-FET gate voltage is indeterminate, so what happens to the p-FET? It all seems a bit chicken and egg to me.

我不是很理解Arduino Uno的電源選擇電路。當有外接電源連接時，它用P溝道MOS管斷開USB電源，但有一點我不理解。如果沒有外接電源，啟動時MOS的狀態(tài)是什么？如果是導(dǎo)通的，USB電源給LMV358供電，比較3.3V與0V，把MOS的柵極拉低，電路正常工作（盡管初始時MOS的源極電壓是浮空的）。但是如果MOS是關(guān)斷的，LMV358就沒有電源，所以MOS的柵極電壓是未定的，所以MOS會怎么樣？這就像先有雞還是先有蛋一樣。

答案是電路依然能正常工作，原因是MOS管中有一個寄生二極管。注意，只有分立MOS管才有寄生二極管。寄生二極管方向是：N溝道管由S極向D極，P溝道管由D極向S極。可以這樣記：襯底連接S極，兩個箭頭的方向相同。

因為有這個寄生二極管的存在，無論上電時MOS處于什么狀態(tài)，VCC總有4.3V電壓，可以讓U2輸出3.3V，也可以讓運放工作，于是運放就會輸出0V，MOS導(dǎo)通，VCC輸出5V。這個過程在一瞬間完成。

一般來說，高邊P溝道MOS管都是源極連接電源，漏極輸出。而這個電路為了利用寄生二極管把兩者顛倒了過來，仍能正常工作，十分巧妙。