高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道

雨飞工作室 2025-10-11 06:11
一、锂电池充电和电源自动切换设计
锂电池边充边放自动切换和升压电路测试做了好几个版本,最开始的版本,充电IC为性价比非常高的TP4056X,很便宜,很容易买到,国产的无假。
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图1
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图2R1用来控制充电电流。一般边充边放,如果充电器为5V 1A,可以设置为500mA左右,这样基本可以满足充电和使用,电池容量在1000~2000mAH以内。

自动切换使用了三个MOS管来实现:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图3Q1/Q2为PMOS,作为两路电源的开关阀,Q3为NMOS,用来控制Q2。默认情况下,Q1的G引脚通过R4下拉至低电位,D/S导通,R8将Q2的G引脚上拉,Q2截止,由电池供电。当外部电源V_BUS接通时,Q1 G为高电位,D/S 截止,电池停止供电,Q3被接通,将Q2的G引脚下拉至低电位,Q2导通。

此电路的优点是外部供电时压降很小,可以忽略不计,缺点是电路过于复杂,布局上占用空间比较大。V_BUS电压一定要高于电池电压,否则不工作。如果用USB 5V供电,电池电压最高为4.2V,电池最高电压可以正常供电,那么保持外部电源电压意义就不大,所以这个实验性的电路虽然在性能上有不错的表现,但实际使用却没有太大必要。

二、两电池供电时的电源切换设计

问题现象:如下图,大电池BAT1和小电池BAT2一起给系统供电,当用到低电状态拔下大电池时,系统直接关机。

高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图4

客户要求:当拔掉大电池后,系统还能工作一段时间。

问题分析:从电路来看,大电池和小电池是并联在一起的,它们充电一起充,放电一起放,到低电状态时两种电池都电压较低,所以系统供电不足直接关机。

设计思路:为符合客户要求,设计成当大电池接上时,就让小电池不供电,就是说当放电时只有大电池放电,当充电时两者都能充电。

设计要求:从PCB板布局空间和生产成本上要求电路尽量简单,所用元器件量最少。


设计电路1:

1)如下图,大电池接口用的是刀片接口座,从上往下刀片对应原理图符号,第一片对应符号上的1、4,中间片对应符号上的3、6,第三片对应符号上的2、5。

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2)如下图是大电池及电池上的接口电路板,两个“+”号是连在一起的。

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 3)没大电池时,刀口座上的第一片和中间片不会短路,即中间片是没电的,当接上电池后中间片有电压,应用这个功能来判断是否有大电池接入。

4)在小电池供电上增加一个开关线路,用刀口座中间片来控制。尽量用最少元件的前提下,如下图新增一个PMOS管Q4,G极串一个电阻R86到刀片座中间片,当大电池接入时Q4的G极为高电平,此时Q4不导通,所以小电池不供电;当大电池拔掉时Q4的G极由R87拉为低电平,这时Q4导通,所以小电池可以正常给系统供电,由于大电池的存在,小电池没怎么耗电,所以可以正常工作一段时间。另外在充电中VBAT在给大电池充电的同时也可以通过Q4上的二极管导通过去给小电池充电,值得注意的是由于二极管有压降,所以小电池是充不满电的,但还是可以符合没大电池时可以工作一段时间。

高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图8

上面的描述看起来还可以,但实际验证中,该电路行不通,那为什么呢?原因一,在两个电池都为4.0V以上时,拔插大电池确实可以正常控制Q4的开断,但随着大电池的耗电,电压在逐渐变低,而小电池的电压还没变化,直到G极的电压小于小电池电压很多时,这时Q4就失去了关断作用,所以小电池也同时放电。原因二,电池的静态电流变大了。综上原因,电路1不可用。


设计电路2:如下图增加一个NMOS管Q3和一个三极管Q5,当没有大电池时Q3的G极由R88上拉到小电池电压为高电平,同时Q5也未开启,所以Q3导通,小电池给系统供电;当大电池接入时,Q5开启,Q3的G极被拉为低电平,Q3不导通,所以小电池不给系统供电。

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另外在充电中VBAT在给大电池充电的同时也可以通过Q3上的二极管导通过去给小电池充电,值得注意的是由于二极管有压降,所以小电池是充不满电的,但还是可以符合没大电池时可以工作一段时间。实际验证中,该电路行不通,拔掉大电池系统立马关机,如小电池电压是3.9V,拔掉电池后,电压经过Q3会变成2.9V。


设计电路3:如下图还是使用PMOS管Q4,但用两个三极管Q5和Q6来控制Q4的G极,当没有大电池时,Q5未开启,Q6由于R89上拉到小电池电压变为高电平,所以Q6开启,这时Q4的G极被拉低,所以Q4导通,小电池给系统供电;当大电池接上后,Q5开启,Q6的B极被拉低,Q6不开启,Q4的G极由R88拉到高电平,所以Q4不导通,小电池不给系统供电。

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在充电中VBAT在给大电池充电的同时也可以通过Q4上的二极管导通过去给小电池充电,值得注意的是由于二极管有压降,所以小电池是充不满电的,但还是可以符合没有大电池时可以工作一段时间。


实际验证中,该电路可以使用,但是R89这颗电阻和Q6的1、2脚构成一回路,静态电流较大,将R89的阻值增加到47K,静态电流减小很多,若再往上增加,则该电路开启不了,所以说只能加到47K左右。小电池为3.9V时,电流在80微安左右。能否还可以再将电流降点呢?这里将Q6改成普通的三极管3904,如下图R87和R89构成电阻分压,这样就可以调大R89的阻值了,更改后静态电流降到40uA左右。

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设计电路4:如下图用刀口座中间片控制三极管Q6,然后用主控芯片来检测是否有大电池接入,有的话,那就将电池电量检测的低电阀值自动降低,然后小电池还是可以工作一段时间。

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综上,设计电路4是最经济的。这里大电池的容量是1850mAh,小电池的容量是200mAh,若系统工作电流在200mA之内该电路还是较实用的,但若系统工作电流在800~900mA,那么就算电源供电能切换过来,这小电池也带不动,因为瞬间就被系统将电压拉得很低了,可能工作个几秒钟就没了。所以一个电路的设计要考虑的因素很多。还是要多看些电路方面的知识来提高自己的资源储备。


三、外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路,便携电子设备常用

很多内置有锂电池的便携电子设备,比如手机,通常采用这样的供电方式:1.没有插入USB电源时,使用内置的锂电池供电。2.当插入USB电源时,切换为由外置的USB电源供电,并对锂电池进行充电。下图电路就是实现上述的功能:来自一款电子书阅读器(Kindle同类产品)

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这是已量产的电路,成熟稳定,实物电路板如下图,几个关键的元器件做了标注:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图14
下面要讲解的是“外置USB供电与内置锂电池供电的自动切换电路”,所以先把上述电路中不相关的电路隐藏。也就是隐藏锂电池充电管理、电源滤波等电路:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图15
隐藏后变成这样:电路变得好简单,实现电源切换的功能,竟然只需要一个二极管、一个MOS管、一个电阻!
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1.电路说明
将上述的“外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路”整理一下,弄好看点:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图17
功能逻辑是这样的:1)当插着USB电源时,由外置的USB电源供电,即VBUS对VOUT供电。2)当拔掉USB电源时,切换为由内置的锂电池供电,即VBAT对VOUT供电。3)当重新插入USB电源时,切换为由外置的USB电源供电,即VBUS对VOUT供电。

2.原理分析

假设VBUS的电压为5V,VBAT的电压为3.7V:
1)当插着USB电源时:VBUS通过肖特基二极管D9到达VOUT。
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图18
肖特基二极管的导通压降约为0.3V,USB电压VBUS = 5V,所以:
VOUT = 5V - 0.3V = 4.7V。
由于VBAT为3.7V,MOS管Q4的s极为4.7V,g极为5V,由此可知:
Vgs = 5V - 4.7V = 0.3V > 0。所以MOS管处于不导通状态,同时其体二极管也是反向截止。由于电阻R155的存在,会浪费一些功耗,流过R155的电流为:
5V / 10Kohm = 0.5mA
2)当拔掉USB电源时:VBUS的电压会从5V开始往下降,电阻R155起到给VBUS放电的作用。VBUS的电压需要快速下降,因为如果下降慢了,会导致MOS管Q4打开变慢,也就不能很快地切换为电池VBAT供电。如下图,假设VBUS缓慢下降到4.9V,即MOS管Q4的g极为4.9V。VBUS通过二极管D9降低了约0.3V,变为4.6V,即MOS管的Vgs电压为:
4.9V - 4.6V = 0.3V > 0。MOS管仍然不导通,VOUT的供电没有切换为VBAT。
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图19
假设VBUS已经下降为1V,如下图。电池电压VBAT通过MOS管Q4的体二极管后降低了约0.7V,变为3V,即MOS管的Vgs电压为:
1V - 3V = -2V,MOS管已经逐渐打开。
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图20
最终,VBUS会降到0V,MOS管也会完全打开,VOUT切换为用VBAT供电,VOUT电压变为3.7V:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图21
VBUS接的滤波电容会令其电压下降缓慢,如果发现VBUS的电压下降过慢,可以减小R155的阻值。但是这样会导致在插入USB电源时,流过R155的电流变大,增加了无谓的功耗。所以R155的阻值不能过大也不能过小,需根据实际调试的效果来决定。
3)当重新插入USB电源时:如下图,MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0,MOS管不导通,并且其体二极管也是反向偏置。VOUT切换为用VBUS供电,Vout电压变为4.7V。
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图22
3.性能提升
在拔掉USB电源的瞬间,有没有可能MOS管Q4来不及打开,导致VBAT的电压没有及时切过来?是有可能的。MOS管Q4没有快速打开,VBAT供电不能及时续上来,会导致VOUT电压下降过多,VOUT的负载电路就可能工作异常。如果电路的负载较重,拉取的电流较大,尤其容易出现在供电电源切换时VOUT电压下降过多的问题。
怎么办呢?

1)可以加快MOS管打开导通的速度。方法是减小VBUS的滤波电容的容值,减小电阻R155的阻值,这都是让VBUS快速掉电,从而让Vgs快点到达令MOS管完全打开的电压。

2)在VOUT增加滤波电容,但是效果不怎么明显。

3)这是重点!可以给MOS管并联一个肖特基二极管D1,如下图所示:该肖特基二极管D1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D1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。
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图23

4.应用案例

除了上述的电子书阅读器有应用之外,还有大量的产品使用了这个切换电路。比如MicroPython领域著名的01Studio公司,其出品的多款开发板都有这个切换电路。以其中的一款型号为“pyWiFi-ESP32”的开发板举例,其电源部分的电路图如下:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图24
其中,电源切换相关的电路在这里:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图25
标注对应的实物图:
高效电源管理:探索锂电池充电与供电自动切换的电路设计之道图26


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