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一款简单的外部电源和锂电池自动切换电路图

发表日期:2022-05-28 10:06 点击量:
该外部电源和锂电池自动切换电路在外接电源时,使用外接电源供电,并且为锂电池充电;在无外接电源时,系统自动切换为锂电池供电。
介绍一种单节锂电池充放电一体的电路。电路的原理如下图:
1) 图中VBUS是外部输入的5V电源,VBAT接到锂电池正端,VOUT是整个电路的输出;
2) 虚线左边的电路是充电电路,充电管理芯片使用常见的TP4056锂电池电源管理芯片,可以提供最大1A的充电电流;由芯片手册可知,充电电流由图中的 R8 设置,公式为 I = 1100/R(误差±10%),图中设置为充电电流为900mA;充电时D4亮、D3灭;充满时D4灭、D3亮;这一部分是TP4056的标准电路;
3) 虚线右侧的电路是自动切换电路;
当VBUS处有外部电源输入时,电流可以直接从二极管D1通过,流到VOUT输出处;而此时由于VBUS同时也将PMOS管Q1的栅极拉高,使得栅极电压与源极电压相差很小,Q1管会截止,防止了VOUT处有电流流向VBAT。这样实现了有外部电源VBUS时,外部电源为VOUT供电,而同时为VBAT电池充电。
当VBUS处没有电源输入时,MOS管Q1的栅极被拉低到地,而此时由于VBAT上接了电池,使得Q1的源极和栅极间有3V以上的电压,Q1会导通,实现了VBAT向VOUT供电。
4)元器件的选择
图中D1和D2应选择电流足够的肖特基二极管(如1N5819),因为肖特基二极管的压降小,并且开关速率很快,这样可以弥补MOS管开关慢的缺点;如在外部电源撤除,Q1的未完全导通时,VOUT会有短时间的跌落,此时电流可以从高速的二极管D2通过,当Q1完全导通后,可以使得VBAT到VOUT的压降变小。
Q1应选择PMOS,并且开关门限电压建议小于3V,因为锂电池的电压在3.7V左右,要使得3.7V减去二极管的压降后,还要能使得Q1导通(如选择AO3401)。
同时,为了在电源切换时尽量减小电压的跌落,可以在VOUT上并联大电容。
5)PCB设计建议
PCB设计时,需要特别注意,TP4056芯片的底面有一个散热用的大焊盘,必须设计一个大面积连接的铜皮便于散热,否则充电时很容易就会过热保护,提供不了设计的充电电流。
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此款外部电源和锂电池自动切换电路原理:使用低Uth类型的PMOS管(如Uth=-2V)做开关。当5V没接入时,PMOS管的栅极通过电阻R1下拉到地(0V),锂电池BAT(3.7~4.2V)通过MOS管的内部体二极管到达源极,源极电压为(3~3.5)V,此时Ugs为(-3.5)V到(-3)V,Ugs < Uth,MOS管导通,输出Vout=(3.7~4.2)V,(注当MOS管导通后,体二极管截止,不会有电流流过体二极管)。当5V接入后,通过二极管D1到达源极,源极电压为4.3V,栅极电压为5V,Ugs=4.3-5=-0.7V>Uth,此时MOS管关断,输出Vout=4.3V(5-0.7) 
外部电源和锂电池自动切换电路图如下:
外部供电与锂电池自动切换的电路
 

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