电源自动切换电路设计

简单来说,电源自动切换电路的核心目标是 "主断备启,无间断供电"

最简单的设计:二极管切换

两个电源,根据供电电压的高低自动选择,哪边电压高用哪边。
二极管可以选择普通二极管(最大 0.7V 压降)或者肖特基二极管(最大 0.3V 压降)
二极管切换.png

MOS管切换

设计一

简单说下该电路原理:

  • 当 VIN 电压大于 VBAT 时 Vgs > 0 此时mos管截止 由VIN 供电
  • 反之 Vgs < 0 此时mos管导通 由VBAT供电 D4 二极管防止电流倒灌
    mos管切换.png

但是该电路会多一个二极管的压降

设计二

这里的 PMOS 方向并反 因为这里是用到了 MOS 管的体二极管
mos2.png

要判断该电路是否能实现主副供电无缝切换,需结合MOS 管阈值电压、下拉电阻阻值、输出滤波电容这三个核心影响因素分析:

1. MOS 管阈值电压(以 P 型 MOS 管 Q2 为例)

Q2 作为备用电源(VBAT)的开关管,其 阈值电压(Vth)直接决定导通灵敏度。对于 P 型 MOS 管,导通条件为。当主电源 VIN1 掉电后,Q2 栅极电压由下拉电阻 R2 拉低,若Vth越小,越易满足导通条件,Q2 能更快导通,缩短切换延时。因此选型时应优先选择Vth较小的 P 型 MOS 管,确保电源切换的响应速度。

2. 下拉电阻 R2 的阻值

R2 是 Q2 栅极的下拉元件,其阻值需在切换速度与功耗之间平衡:

  • 阻值越小,VIN1 掉电后栅极电压下拉至 0V 的速度越快,Q2 导通越迅速,有利于减少切换时间;
  • 但阻值过小会增加 VIN1 正常时的栅极功耗(VIN1 需提供更大电流驱动 R2)。电路图中选择 10KΩ 的 R2 是合理折中,既保证了较快的下拉速度,又将功耗控制在可接受范围。

3. VOUT 处的滤波电容 C2

VOUT 端的滤波电容 C2 容量越大,储存的电能越充足。在主副电源切换瞬间,C2 可释放能量维持 VOUT 电压稳定,避免因电源切换导致电压跌落。电路图中采用 100μF 的 C2,能有效增强切换时的电压保持能力,是实现无缝切换的关键保障。实际应用中建议选用 100μF 以上的电容,进一步提升切换稳定性。

充电电路切换

充电电路.png

D1防止电流倒灌

AC-DC电源

AC-DC.png
该电路将 220V 交流电转换为 12V 直流电

  • 其中 R48 压敏电阻用于浪涌/过压抑制,当电压超过阈值时会迅速导通将多余能量吸收并泄到地线上,保护后方 AC-DC模块不被冲坏。
  • R49 同理,不过该 TVC 二极管是通过反向击穿来泄压。

三极管做开关电路

三极管做开关.png
这里 Q9 是 NPN 型三极管,基极给一个高电平导通,此时 Q8 栅极接地 MOS 管导通,负载上电开始工作。

三极管的放大特性

三极管放大特性.png
有源蜂鸣器:上电发声
假设该蜂鸣器的额定工作电压为 3.3V,额定工作电流为 20mA,三极管工作在理想情况下,集电极到发射极的压降 Vce = 0V,那么此时 R8 电阻上的分压为5V - 3.3V根据欧姆定律,R = U / I就可以得出 R8 的阻值。
三极管的放大作用:β放大倍数,要想让三极管发挥最完美的开关作用就要保证基极的电流*放大倍数严格等于集电极到发射极的电流,Ib * β = Ice也就是 Ice / β = Ib,β 可以通过万用表测得,假设为 240,即 20 / 240 = Ib,此时根据欧姆定律可以算出 R7 的阻值,单片机的 IO 口输出电压为 3.3V3.3V / Ib 即可。
但是这里还有一个细节 三极管的这个基极和发射极之间是有导通压降的 一般是 0.7V,所以应该是 3.3-0.7 之后才是 R7 的分压之后再除以 Ib

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