常用電源自動切換電路原理圖講解

前言

在實際產(chǎn)品設(shè)計中可以有多種電源方案，這里以一般的單片機(jī)產(chǎn)品為例，3.3V左右供電的系統(tǒng)，常見的有 USB供電、外接電源適配器供電 和 電池供電。

一般產(chǎn)品設(shè)計的時候，為了產(chǎn)品更加穩(wěn)定和智能，我們都會預(yù)留其中2種甚至多種供電方式，一般每種電源單獨(dú)存在，都可以給產(chǎn)品供電，但是如果這些電源同時存在的情況，它們是如何選擇供電或者說設(shè)計者該如何設(shè)計成比較理想的情況呢，這就今天我們要聊聊的電源自動切換電路。

一、最簡單的二極管

最簡單的電源自動切換電路：二極管并聯(lián)。

兩個電源，根據(jù)供電電壓的高低自動選擇，哪邊電壓高用哪邊。

二極管可以選擇普通二極管（最大 0.7V 壓降）或者肖特基二極管（最大 0.3V 壓降）

1.1 都是5V電源

如果我們的系統(tǒng)是使用3.3V供電，而兩個電源都是5V（USB，外接適配器），后端需要接一個 LDO，那么這個電路使用哪種二極管都無所謂，如果是普通二極管要注意 LDO 的選項，得選擇低壓差的。

如果是系統(tǒng)中需要有5V供電，那么普通二極管基本不可行的，得使用肖特基二極管。

使用 5V電源經(jīng)過肖特基二極管壓降后對于大部分要求 5V 供電的設(shè)備還是沒問題的。

在這種情況下，使用二極管并聯(lián)有一個好處，不局限于2路，比如實際中可能出現(xiàn)3種，再多也可以，但是一個產(chǎn)品我做過的最多就3路，如下圖：

1.2 帶電池電源

但是如果有一路電源是電池，不管是常見的 4.2V 鋰電池，還是 3.6V AA電池（有鋰電池，也有其他種類，比如鋰亞硫酰氯電池），使用普通二極管 0.7V壓降顯然不可以，那么必須得 選擇肖特基二極管。

即便這樣，對于電池來說這個壓降也還是太浪費(fèi)了，但是至少是能夠使用起來的。

而且還得注意一個問題，使用肖特基二極管壓降越低，但是反向漏電流越大，那么在電池和其他電源同時存在的情況下，需要考慮到電池是否能夠“容忍”這個反向電流。

大部分鋰電池并不能接收電流直接流入的，為了安全起見，不建議電池和 5V直接使用該方式做自動切換電路。但實際上，如果產(chǎn)品的使用場景，已知電池和外接電源可能一起供電時間很少，注意好自己的負(fù)載需要的電壓，選擇合適的LDO或者電源處理方式。這個方式是實用的。

這里可能有人會說，我已知池和外接電源基本不會一起供電，我還加二極管干嘛？

這里我只是經(jīng)驗之談，雙電源，二極管得加，一般加肖特基二極管，為了少點壓降。不能不加，因為考慮到產(chǎn)品的安全性，用戶可能的不正當(dāng)操作等。

1.3 小結(jié)

適用場景，供電電源都是 5V的場合，供電電源為外接適配器，USB，是性價比最高的方案。

帶電池場景需要考慮額外的諸多問題，如果對自己的產(chǎn)品使用場景有底，可以針對的使用。

二、MOS管切換電路

2.1 經(jīng)典電路

5V電源和電池的場合，使用一個MOS管作為備用電源（電池電源）的開關(guān)，有一個經(jīng)典電路，原型如下（5V的電源不一定是USB，可以是外接適配器的5V）：

這經(jīng)典的電路已經(jīng)被許多博主工程師介紹過，我通過查閱大量的文章，發(fā)現(xiàn)大都是分享一個電路，說一下工作流程。這里我必須說明一些容易出錯的地方。

注意這里使用的PMOS，方向沒有畫反，因為需要用到 MOS管的體二極管。電池電壓通過體二極管到達(dá) S 級，在沒有 VUSB 的時候使得 Vgs <0，MOS管導(dǎo)通，給Vout 供電。

那為什么不將 PMOS 管的 S 對著 VBat， D級對著 Vout 呢？

還是因為體二極管，如果有 VUSB 的時候，通過體二極管，VUSB 電壓直接到了電池，這是不允許的。

電路的流程簡單介紹一下：

當(dāng)VUSB有電，PMOS管截止，即便有體二極管電流流過，但是因為VUSB會比 Vbat 電壓高，PMOS的Vgs>0 ,所以PMOS體二極管截止，負(fù)載由 VUSB 供電；

當(dāng)VUSB沒電，PMOS導(dǎo)通，負(fù)載由 VBat 供電；

能否無縫自動切換？

無縫自動切換指的是，在有 VUSB 和 電池同時供電的情況下，忽然去掉一個，負(fù)載能否保持正常工作而不復(fù)位或者出異常。實際上大多情況都是去掉 VUSB 后能否切換至電源供電而不出問題。

關(guān)于這個問題，其實是比較復(fù)雜的，決定能否無縫自動切換的因數(shù)有很多，一般在使用的時候都是根據(jù)自己的情況調(diào)整一些元器件使得能夠?qū)崿F(xiàn)無縫自動切換，這里說明一些可能影響能否無縫自動切換的因數(shù)：

1、MOS管參數(shù)

我們知道，MOS管有一個閾值電壓，閾值電壓越小，MOS管越容易導(dǎo)通。在MOS管選型的時候可以根據(jù)適當(dāng)情況調(diào)整：

2、上圖R2電阻

在上圖中，MOS管的 G 極到 GND 有一個電阻R2, 這個R2的阻值越小，MOS管導(dǎo)通速度越快。

但需要注意的是，這個R2是一直在耗電的，如果太小，那么系統(tǒng)額外白白浪費(fèi)的功耗就越多。

3、VouT 端濾波電容

實際上，Vout端如果有大一點的濾波電容，電容可以儲存一定的能量，會使得無縫切換更加穩(wěn)定，大一點的電容我實際使用的至少都是100uF以上的。

4、Vin 端電容

Vin端的電容實際上就是 VUSB 入口處的電容，在上圖中是沒有的，當(dāng)然這里提出來也是說明不建議加，因為加了VUSB的掉電更緩慢，導(dǎo)致 PMOS 導(dǎo)通時間加長。原理同上面Vout的濾波電容一樣。

5、負(fù)載功耗

負(fù)載功耗這個倒是我們無法改變的，但是他確實會影響自動切換，如果負(fù)載功耗太大，那么是有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位的。反正就是負(fù)載功耗越大，越容易在電源切換的時候出問題。這時候一般來說，可以試著增加 Vout 端的濾波電容大小。

所以在實際使用中，注意上面的幾個因數(shù)，電路是可以做到無縫自動切換的。

上面的這個電路在VUSB 和電池 雙電源供電的實際上已經(jīng)可以正常使用，而且很經(jīng)典實用。

2.2 經(jīng)典電路變種

我們上面經(jīng)典電路使用 PMOS ，還特意提到了 PMOS 的方向，但是如果就是想把PMOS反過來，或者設(shè)計的時候畫反了怎么彌補(bǔ)？

這里就針對上面電路做了一個變種電路：

這個電路理解起來應(yīng)該也很簡單，原理也就是 Vgs < 0, PMOS管導(dǎo)通，和上面經(jīng)典電路一樣。

然后加了一個D2，防止了VUSB給電池充電的可能，這部分的處理有點類似與上面提到的最簡單的二極管并聯(lián)方式，但是會比二極管并聯(lián)更加可靠。

相對于經(jīng)典電路，這個電路要接受電池多一個 D2 二極管的壓降。

這個電路相對經(jīng)典電路并沒有什么優(yōu)勢，但是我們要理解這個思路，有了這個思路，我們就有更多的可能。前面的兩個電路，都是只能適用于Vbat 必須小于VUSB的情況，如果他們兩個電壓相等或者其他情況的時候怎么處理？當(dāng)然可以直接用兩個二極管并聯(lián)，但是我們這里要提到的是使用MOS的方法。

2.3 經(jīng)典電路升級

根據(jù)前面的經(jīng)典電路，和經(jīng)典電路變種的設(shè)計思路，我們可以再用一個MOS管代D2，于是電路變成下面這樣：

相對于上面的電路來說 VUSB 與 VBat 的 壓差就沒有那么嚴(yán)格，具體的情況視具體情況而定。下面的邏輯是按照電路設(shè)計正常工作情況來說明，當(dāng)然不是任何電壓都適合。我們這里只是電路記錄分享，如果有問題，可以評論區(qū)指出。

原理上來說還是MOS管，當(dāng)VUSB有電的時候，Q2，Q1截止，VUSB供電，當(dāng)VUSB沒電的時候，Q2，Q1導(dǎo)通，VBat 供電。

當(dāng)然或許會有可能Q2會導(dǎo)通，然后Q1截止，然后需要再根據(jù)情況詳細(xì)分析的情況。

但是整體上，相對于經(jīng)典電路來說 VUSB 與 VBat 的 壓差就沒有那么嚴(yán)格，在同樣的電壓下也可以做到切換。

2.4 另一種思路

除了上面經(jīng)典電路思想，我項目中確實用的也是上面的電路，但是在寫博文的時候，為了做總結(jié)，查找了好多文章，發(fā)現(xiàn)了一款比較中意的電路：

這里是原文的鏈接：非常精妙的主副電源自動切換電路，并且“零”壓降，客官你GET到精髓了嗎？…

其中 Vin1 是主電源，Vin2 是備用電源。

當(dāng) Vin1 和 Vin2 都有電的時候會使用Vin1，只要有 Vin1 ，Q1導(dǎo)通使得 Q2 的 G 極接地，然后Q2也導(dǎo)通，Q3的 G極連接 VIn1，S極基本也是Vin1（比Vin1小一點點，幾十mV），所以Q3截止，Vout 來自 Vin1。

其他的詳細(xì)分析可以查看原文，這里我只是做個記錄。

三、電源切換芯片

對于某些特除的場合，也可以使用電源切換芯片，電源切換芯片相對來說基本無壓降，但是相對來說，電源切換芯片的成本太高了。

比如 LTC441x 系列。

實際項目中，我倒確實還沒用過電源自動切換芯片，這個或許等以后有機(jī)會用到再來記錄。

結(jié)語

除了文中提到的這些常用電路，還會有其他的一些帶上三極管或者更多MOS管的電路，但是我個人而言，我是應(yīng)該不會去用那么多的元器件做一個電源切換的= =！即便電路多么巧妙，我基本上都很少去分析,我還是實際項目為導(dǎo)向的，除非以后確實項目需要，我會來更新完成文章。

文章以總結(jié)記錄電路為主，所以并沒有用詳細(xì)數(shù)據(jù)分析，實際使用根據(jù)自己的情況，選擇合適的方案，進(jìn)行必要的細(xì)節(jié)調(diào)整，才能設(shè)計出合適自己的電路方案！