便攜式設(shè)備的開關(guān)機電源電路設(shè)計

一、概述

便攜式設(shè)備最大的特點是攜帶方便、可以在任何時間、任何場合進行使用，可以脫離電源線供電，使用電池，且大多產(chǎn)品支持電池的自行更換，這個電量問題經(jīng)常也是用戶體驗中遇到的不滿意因素之一。

這就對電池和設(shè)備功耗設(shè)計提出了嚴格的要求：在開機工作狀態(tài)下，優(yōu)化功能模塊上電及工作情況，電路中的器件盡可能設(shè)置在低功耗模式; 在待機狀態(tài)下，只保留有必要的功能，其他盡可能休眠或關(guān)閉; 在關(guān)機狀態(tài)下，完全無功耗或把功耗降低到極小。

對于關(guān)機狀態(tài)，很多設(shè)備可以做到從物理上直接斷開，例如采用自鎖開關(guān)，這樣電池沒有接入到電路中，是完全沒有放電的情況; 但是也有一部分設(shè)備，由于功能需求或行業(yè)要求，是無法做到從物理上直接斷開的，比如一些會對人體產(chǎn)生外部作用的醫(yī)療器械，要求在異常情況下，設(shè)備具有自動斷開電源的功能以實現(xiàn)對人體的保護，這樣自鎖類的開關(guān)就不適用了，需要在電路原理中進行一些特別的設(shè)計。

本文介紹一種長待機的可以適用于便攜式設(shè)置的開關(guān)機電源電路。

二、原理圖解析

2.1 輸入

通常便攜式設(shè)備設(shè)計為可以兼顧支持電池和適配器供電，二者同時存在時互相不能有影響，圖中J1是適配器接口，器件采用直流端子，J2是電池的接口插座。 不接適配器只用電池時，J1的2、3腳是短路的，相當(dāng)于電池插座J2的1腳接地，2腳為正，電路系統(tǒng)經(jīng)電池保險F2通道供電。 當(dāng)外部電源適配器插入到J1時，J1的2、3腳斷開，使得J2沒有回流路徑進而不再給電路供電，J1的1腳為正，2腳為地，電路系統(tǒng)通過適配器保險F1通道供電。

保險絲作用是防止電流過大燒損電路板內(nèi)器件，二極管是防止電源極性反接。 R1、R2組成分壓電路，分壓后進入AD，監(jiān)控電源情況，可以根據(jù)AD值，實時顯示電池的電量。

2.2 開機電路

Q1、Q2、Q3為NPN晶體管，在此電路中工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài); Q5是P溝道的MOS管，起到電源輸入與電路系統(tǒng)的開關(guān)作用。

未開機狀態(tài)下，設(shè)置合適的R4、R6，使Q1工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，則Q1的集電極為低電平，也使得Q3的基極也處于低電平，即Q3不導(dǎo)通。 Q5的柵極為高電平，由于源極直接連到電源端，則Q5不滿足導(dǎo)通條件，處于截止?fàn)顟B(tài)，整機系統(tǒng)未上電。

在關(guān)機狀態(tài)下，此電路沒有從物理上將電源斷開，因此電路一直處于耗電狀態(tài)，主要耗電的器件是Q1，它是處于導(dǎo)通工作狀態(tài); 另外還有R3、R5，直接與電源連接形成回路。 此時根據(jù)R3、R5、R6的值，可以大概計算出來關(guān)機電流，進而可以估算出待機時間。 例如，電池容量使用1800mAh，電壓為6V，R6=100K，R3+R5
= 200K，通過R6的電流為0.06mA，通過R3+R5的電流為0.03mA，則總電流為0.09約為0.1mA，則待機時間為1800mAh/0.1mA =
18000h ≈ 25個月。

網(wǎng)絡(luò)P-KEY接開機按鍵，按鍵按下將P-KEY拉低，使Q1基極為0V進而截止，Q3基極為高電平進而導(dǎo)通，Q3的集電極與Q5柵極連在一起，所以Q5的柵極為0V，則Q5滿足導(dǎo)通條件，電源VIN的供電通過Q5這個開關(guān)進入其他電路中。

電路系統(tǒng)中的MCU上電后，IO口控制端P-CTL置高，使Q2工作在導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)按鍵抬起后，P-CTL維持高電平，Q2仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，即Q5的柵極保持在0V，所以電源VIN的供電不會斷，整個系統(tǒng)完成開機與上電過程。

原理圖中的D3屬EMC器件，是瞬態(tài)抑制二極管，起到吸收浪涌功率的作用，用來保護電源在靜電放電和電快速脈沖群測試中不受影響。

2.3 電源電路

系統(tǒng)開機后，將電壓通過U1升壓芯片先把電壓升高，再通過多個LDO將合適的電壓分配給各功能模塊。 先將電壓升高可以最大的利用電池的電量，避免電量降低時，影響到LDO的輸出。 圖3中的網(wǎng)絡(luò)P-CTL與圖2中保持Q2工作在導(dǎo)通狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)相同，MCU使用同一個IO口即可。

三、P溝道MOS的選型

3.1 確認選P還是選N

MOS管通常作為開關(guān)來使用，如果負載一端接到電源，即負載在高壓端，那么MOS管開關(guān)只能放到低壓端，這種情況采用N溝道的MOS，低壓端MOS的源極常接在GND; 如果負載一端接到GND，即負載在低壓端，那么MOS管開關(guān)放到高壓端，這種情況采用P溝道的MOS，高壓端MOS的源極常直接連電源。

3.2 確認MOS的電流

ID是指MOS管可持續(xù)通過的漏源電流，是在芯片滿足散熱條件下的參考值，當(dāng)環(huán)境溫度升高后，ID會減小;IDM是指MOS的峰值電流，這是一個瞬態(tài)值。 在選擇參數(shù)時，電路穩(wěn)定工作電流要小于ID且留有一定的余量。

3.3工作損耗和散熱

MOS管在工作時會產(chǎn)生開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，轉(zhuǎn)化為熱量體現(xiàn)出來。

導(dǎo)通損耗出現(xiàn)的根本是由于MOS是非理想器件，這個主要是由RDS(ON)和工作溫度相關(guān)，Vgs越大，RDS(ON)越小，所以在器件選型時優(yōu)先選擇滿足導(dǎo)通條件下RDS(ON)盡可能小的型號。

開關(guān)損耗主要包括兩部分：開啟過程中同時存在的逐漸降低的VDS和逐漸上升的負載電流產(chǎn)生的損耗、關(guān)閉過程中同時存在的逐漸升高的VDS和逐漸下降的負載電流產(chǎn)生的損耗。

關(guān)于MOS管的損耗，如果細致研究其實還有很多因素，比如截止時VDS(Off)和IDSS產(chǎn)生的損耗、柵極驅(qū)動過程中產(chǎn)生的損耗、體二極管正向?qū)胺聪蚧謴?fù)產(chǎn)生的損耗等。

MOS管的工作損耗是一個綜合的、變化的東西，比較復(fù)雜，即使計算也不能很準確的得到損耗數(shù)值，只能大概評估損耗的量級，所以選型時要根據(jù)使用需求和負載綜合考慮各種因素; 如果條件允許可以選用雙通道的MOS，或者選擇增加散熱片、使用導(dǎo)熱硅膠片等，創(chuàng)造一個很良好的散熱環(huán)境。