防止停電：從便宜到完全集成

考慮一個(gè)非常常見(jiàn)的場(chǎng)景：在開(kāi)發(fā)與PC的USB端口接口的外圍設(shè)備的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始著手解決如何為其供電的問(wèn)題。此電源可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，因?yàn)橥鈬O(shè)備必須在 PC 關(guān)閉以及啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)運(yùn)行。

從PC的USB端口獲取電源是有意義的，但這種方法僅在PC運(yùn)行時(shí)才允許操作。另一個(gè)明顯的解決方案是標(biāo)準(zhǔn)的 110VAC 插座和 AC-DC 轉(zhuǎn)換器，但該電源會(huì)使設(shè)備暴露于任何交流插座固有的噪聲和電壓波動(dòng)中。因此，堿性或可充電電池雖然作為唯一的電源不實(shí)用，但如果外圍設(shè)備是便攜式的，則是必不可少的組件。第三種選擇是利用所有三種電源。雖然犧牲了簡(jiǎn)單性，但這種安排使產(chǎn)品更加通用，并且并不像人們想象的那么困難或昂貴。

用于在適配器和 USB 端口之間切換的電路可以像 MOSFET 和二極管一樣簡(jiǎn)單，也可以像兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換器一樣復(fù)雜。這兩種情況都需要電池，用于備份和啟用便攜式操作。以下討論介紹了利用所有三種電源優(yōu)勢(shì)的不同方法。每個(gè)選項(xiàng)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但每個(gè)選項(xiàng)都能完成工作。

只需一個(gè)二極管、一個(gè)FET和一個(gè)電阻即可構(gòu)建一個(gè)基本的切換電路。圖1的輸入級(jí)顯示了電路如何在USB端口和適配器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。當(dāng)USB電源線(xiàn)上的電壓下降時(shí)，F(xiàn)ET將+5V適配器連接到電池充電器。在250mA負(fù)載下，當(dāng)USB電壓降至+4.3V時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種連接。

圖1。這種簡(jiǎn)單的電路通過(guò)無(wú)縫開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電源切換，但存在同時(shí)連接兩個(gè)電源的風(fēng)險(xiǎn)。

低組件數(shù)使這種拓?fù)浞浅？煽?，并且還簡(jiǎn)化了任何必要的調(diào)試和故障分析。該電路提供+1.25V至+5V電壓，電流高達(dá)600mA，效率為95%。備用電池確保該輸出不受電源噪聲和壓降的影響。以防萬(wàn)一設(shè)備不可攜帶，切換功能齊全，無(wú)需電池即可實(shí)現(xiàn)。

電池充電器僅在+4.35V至+6.5V輸入電壓范圍內(nèi)工作。當(dāng)其電源電壓降至+4.35V以下時(shí)，當(dāng)在負(fù)載下嘗試切換時(shí)，電池充電器與電池完全斷開(kāi)，只留下電池為負(fù)載供電。當(dāng)適配器電壓較低時(shí)，此電路可能無(wú)法干凈切換。除非FET以0.5V門(mén)限關(guān)閉，否則它會(huì)輕微導(dǎo)通，并允許電池通過(guò)該連接放電至適配器輸入。緩解這種擔(dān)憂(yōu)的一種簡(jiǎn)單方法是將二極管與適配器串聯(lián)，從而消除反向電流的可能性。

多一點(diǎn)

圖2的電路雖然稍微復(fù)雜一些，但其功能與圖1大致相同。當(dāng)USB電壓下降時(shí)，該電路包括三個(gè)FET、一個(gè)電壓檢測(cè)器和一個(gè)逆變器，以確保在特定切換點(diǎn)連接，而不是一個(gè)FET連接適配器和電池充電器。

圖2.為了保持無(wú)縫開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)消除同時(shí)連接兩個(gè)電源的可能性，可以用MOSFET代替圖1中的二極管，并增加一個(gè)電壓檢測(cè)器（U1）和逆變器（U2）。由此產(chǎn)生的電路允許設(shè)計(jì)人員設(shè)置一個(gè)精確的開(kāi)關(guān)點(diǎn)。

由于設(shè)計(jì)人員可以將電壓檢測(cè)器（U1）配置為以不同的電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)，因此設(shè)計(jì)人員也可以定義切換期間看到的任何電壓降。當(dāng) U1 的 VCC 降至內(nèi)部基準(zhǔn)電壓以下時(shí)，/RESET變?yōu)榈碗娖剑⒘⒓唇油≦1和Q2。Q3立即被U2A關(guān)斷，U500A的輸入是/RESET線(xiàn)路。為了保護(hù)相關(guān)組件免受反向電流的影響，并確保為負(fù)載提供連續(xù)電源，逆變器的下降時(shí)間確保兩個(gè)電源的連接最大時(shí)間僅為1ns。圖1所示，該電路提供+25.5V至+600V電壓，電流高達(dá)95mA，效率為<>%。電池可確保輸出不受電源噪聲和壓降的影響，對(duì)于非便攜式設(shè)計(jì)，切換功能齊全，無(wú)需電池。

從USB輸入到適配器輸入的精確切換消除了對(duì)輸入進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)節(jié)的需要，并且還使設(shè)計(jì)人員能夠確定可接受的壓降水平。次級(jí)輸入端的背靠背FET使電路能夠阻斷反向電流，否則反向電流可能會(huì)從電池流向任一輸入端。FET 還可以防止 USB 輸入和適配器輸入之間任何電位差的影響。

初級(jí)輸入端存在一個(gè)電壓檢測(cè)器和FET，次級(jí)輸入端有兩個(gè)FET，這增加了電路的復(fù)雜性和相對(duì)成本，并使該電路更難調(diào)試。兩個(gè)FET的輸入電壓也比圖0所示的單個(gè)FET高出約3.1V，這降低了USB和適配器輸入的效率。同樣，電池充電器僅在+4.35V至+6.5V輸入電壓范圍內(nèi)工作。

頂級(jí)產(chǎn)品

假設(shè)所討論的外圍設(shè)備是一個(gè)全球定位系統(tǒng)（GPS），在用戶(hù)從PC下載地圖后在汽車(chē)中運(yùn)行。允許在多個(gè)源電壓之間切換的電路至關(guān)重要。圖3所示為一個(gè)魯棒的通用電源/切換電路，與剛才討論的電路設(shè)計(jì)相比，它具有許多優(yōu)勢(shì)。

圖3.使用升壓和降壓轉(zhuǎn)換器（U3和U4）使該電路能夠保持圖2的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)以更高的效率工作。

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器U3（+2.7V至+14V）的輸入范圍允許連接到各種電源。兩個(gè)有用的示例包括USB端口和12V汽車(chē)電源。U3在+1.1V至+25V輸出電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)14A的輸出電流，效率高達(dá)96%。在沒(méi)有USB或適配器電壓的情況下，電壓檢測(cè)器和逆變器（U1和U2）確保切換到DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器（U4），該轉(zhuǎn)換器由效率高達(dá)94%的電池供電。U4提供高達(dá)500mA的電流，輸出范圍為+2V至+5.5V。這種靈活性允許用戶(hù)將信息下載到設(shè)備，將其從主電源上拔下，將其攜帶到汽車(chē)或其他電源上，然后重新插入，所有這些都不會(huì)中斷操作。

U4的一個(gè)限制是，如果在消耗大于500mA的負(fù)載電流時(shí)斷開(kāi)電路與USB或適配器源的連接，則它無(wú)法支持操作。U4的輸出電壓將下降，負(fù)載將關(guān)閉。此外，電路中沒(méi)有電池充電器要求用戶(hù)定期更換電池。（作為替代方案，您可以簡(jiǎn)單地添加充電器和可充電電池。

完全集成

單個(gè)IC（圖4）提供了一個(gè)完全集成的電路，可最大限度地減少電路板空間，并支持多種電源選項(xiàng)。MAX1774包含兩個(gè)高效降壓轉(zhuǎn)換器，具有電池備份切換功能。它提供兩個(gè)源自外部電源或主電池的輸出電壓。主輸出電壓可調(diào)范圍為+2.6V至+5.5V，可提供超過(guò)2A的負(fù)載電流，效率高達(dá)95%。內(nèi)核輸出可調(diào)范圍為+1V至+5V，可提供高達(dá)1.5A的負(fù)載電流，效率高達(dá)91%。如果 USB 和適配器輸入均未激活，則主電池以這些高效率提供兩個(gè)輸出。如果主電池電量不足，MAX1774內(nèi)部電路將負(fù)載切換至備用電池。IC的輸入范圍（+2.7V至+28V）允許其由標(biāo)準(zhǔn)的110V至5V ac-DC轉(zhuǎn)換器或汽車(chē)的+12V電源供電。

圖4.這種完全集成的方法允許最寬的輸入電壓范圍，包括主電池和備用電池。其雙輸出使IC非常通用。

上面概述了用于電源切換的四種不同電路拓?fù)?，每個(gè)選項(xiàng)都提供備用電池，以實(shí)現(xiàn)便攜性和掉電保護(hù)。第一個(gè)示例僅使用MOSFET和二極管實(shí)現(xiàn)電源切換，第四個(gè)示例是完全集成的選項(xiàng)，可縮短整體上市時(shí)間。在這些極端之間有許多電路變化，以實(shí)現(xiàn)相同的目的。這些示例旨在作為起點(diǎn)，針對(duì)特定應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化。

審核編輯：郭婷