宁夏鑫汇集团峡光职业有限公司 崔新华 MAXIM公司 乔宗标
在便携式产品的设计中，一个很关键的问题是解决电池和交流电源之间的切换，这个切换过程应该尽量避免用户干预、保证能量损失最少。具体设计中要避免在电池供电回路中插入串联元件，因为，当电池电压较低时，串联元件将会在电流回路中引起额外的电压降，从而降低总体转换效率。减小电池电流回路中的电阻可有效延长电池寿命。当插入墙上适配器时，任何由电池供电的DC/DC电路应从电池中吸取电流最小（最好为零）；交流电源供电时，系统需防止对电池的反向充电，除非充电是被一个充电电路所控制。以下提出符合上述要求的几种电源转换技术方案。
1. 二极管隔离
两种电源切换的最简单的方法是利用两个肖特基二极管隔离两种电源，如图1所示。墙上适配器的输出必须高于DC－DC的输出，当插入墙上适配器时，二极管D2被反偏，禁止电流从电池流向负载。当去掉交流电源时，二极管D1可防止电流从电池流入墙上适配器。
该方案设计简单，占用PCB板面积小，但它存在两个缺点：D2的正向电压（大约为0.4V）降低了DC－DC的输出电压，如果输出电压低于启动电压，该方案将不适用。另外，D2的正向电压也浪费了电池的功率，二极管D2所耗散的功率等于负载电流乘以正向压降。
2. MOSFET开关
在图2所提供的方案中，用一个P沟道MOSFET代替图1中的二极管D2。去掉墙上适配器时，MOSFET导通，电池向负载供电。当插入墙上适配器时，MOSFET的栅极电压高于其源极电压，处于关断状态，从而切断电池与负载的连接。对100mA的负载电流，一个导通电阻为50mΩ的P沟道MOSFET的电压降为0.5mV，耗电仅0.5mW，而图1所示的二极管配置方式，电压降为400mV，功率损耗为40mW。
MOSFET的导通电阻依赖于它的栅极偏置。图2中当去掉交流电源时，MOSFET的栅极电压为零，源极为电池电压。MOSFET的导通电阻应在此偏压下足够低，保证在最大负载电流下能够获得所期望的输出电压，因此，应尽量选用低阀值MOSFET。
3. 带交/直流切换的双输出
图3提供了一个很实用的电源设计方案。它有两个输出电压：5V/600mA和3.3V/200mA。输入可以是一个交流电源或是一个2节、3V电池。此方案避免了图1和图2中的一些缺点。特别是，在电池供电回路中省去了二极管或MOSFET。
U1是一个开关式DC/DC升压转换器，它的输入是未经稳压的直流（2～5V），输出为5.1V的稳定电压。另一个开关型升压转换器（U2）内含线性稳压器，它由转换器的升压输出供电。将U1的输出设置为5.1V的目的是为了确保U1的输出高于U2的输出。另外，为保证在交流适配器供电时由U1为U2的线性稳压器供电，需要将U1和U2的输出连接在一起。
U2可以提供300mA的负载电流，效率95％；内置线性稳压器输出3.3V时可提供200mA电流。为了防止电池的电流流入U1，当去掉交流适配器电源时，U2的LBI/LBO比较器关闭U1。若电池和交流电源一起供电，在U2的反馈端测得输出电压高于它的稳压值时将一直保持在空闲模式。
4. 在非稳压的直流电源和电池间切换
图4是一个只有3.3V输出的电路，输入为墙上适配器提供的非稳定电源电压范围为5～16V。该电路能够产生3.3V稳压输出，输出电流为200mA，并能实现与备份电池之间的无间断切换，备份电池由两节AAA构成。
U1是一个开关式的降压型转换器，输出由218kΩ/122kΩ的分压电阻设定为3.4V。为了防止电流由电池流向U1，另一对分压电阻（R1/R2）监视输入电压并且在中断交流适配器供电时关闭U1。
％。交流适配器供电时，U2的输出被拉高到3.4V，由于所测得的电压高于稳压设定值，U2停止工作，。U1在为负载提供电流的同时，通过U2的输出端为U2提供静态电流。在这种情况下，电池的漏电流小于1μA。
5. 在稳定的直流电源和电池之间切换
当输出是3.3V/200mA，输入是经过稳压的墙上适配器输出时，电压范围为5～9V，选用线性稳压器可以降低成本（如图5）。
线性稳压器易设计，比开关型电压转换器所需外部元件要少。它的缺点在于功率损耗较大，等于负载电流乘以输入输出的压差。当输入电压高出输出电压很多时，浪费的功率相当可观，这种情况下，即使不考虑效率，线性稳压器所产生的热量对于多数便携式系统也是不可接受的。
图5中，线性稳压器的输出设定在3.4V，开关型升压器的输出设置为3.3V。U2内置一个低电压比较器，监视墙上适配器的电源电压，分压器由100kΩ电阻和三个二极管构成。当终止交流适配器供电时，比较器的输出（LBO）变为高，Q1导通，U1被关闭，U2取得控制权，将电池电压升压到3.3V（效率为85％/100mA）。当恢复墙上适配器供电时，U1被唤醒产生3.4V的输出；U2检测到输出高它的稳压设定值时停止工作。在这种情况下，U2吸取的电流小于1μA。
6. 结论
当负载电流较小时，选用内置功率开关的开关电源控制器可获得令人满意的结果。较少的元件数量减少了总体尺寸，相应也简化了印刷电路板布局。为了减少电池的漏电，应选择带关断模式或空闲功能的控制器，以利于响应在外部电源改变时激活处于关闭功能的内部比较器，并可提供进一步的便利。
在将任何两个电压转换器的输出连接在一起之前，首先应对输出被设定较低的转换器做一次独立的测试：在其输出端强迫性地加上一个比设定值高出约0.5V的电压，同时监测此转换器的电源电流；交流适配器供电时，这个电流应降低到电池电流的水平（约1μA），但它不应该为负值。
摘自《器件在线》
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