交流/電池供電系統的電源轉換技術

2019-11-03 09:55:58

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寧夏鑫匯集團峽光職業有限公司崔新華 MAXIM公司喬宗標　　在便攜式產品的設計中，一個很關鍵的問題是解決電池和交流電源之間的切換，這個切換過程應該盡量避免用戶干預、保證能量損失最少。具體設計中要避免在電池供電回路中插入串聯元件，因為，當電池電壓較低時，串聯元件將會在電流回路中引起額外的電壓降，從而降低總體轉換效率。減小電池電流回路中的電阻可有效延長電池壽命。當插入墻上適配器時，任何由電池供電的DC/DC電路應從電池中吸取電流最小（最好為零）；交流電源供電時，系統需防止對電池的反向充電，除非充電是被一個充電電路所控制。以下提出符合上述要求的幾種電源轉換技術方案。

1. 二極管隔離

　　兩種電源切換的最簡單的方法是利用兩個肖特基二極管隔離兩種電源，如圖1所示。墻上適配器的輸出必須高于DC－DC的輸出，當插入墻上適配器時，二極管D2被反偏，禁止電流從電池流向負載。當去掉交流電源時，二極管D1可防止電流從電池流入墻上適配器。

　　該方案設計簡單，占用PCB板面積小，但它存在兩個缺點：D2的正向電壓（大約為0.4V）降低了DC－DC的輸出電壓，如果輸出電壓低于啟動電壓，該方案將不適用。另外，D2的正向電壓也浪費了電池的功率，二極管D2所耗散的功率等于負載電流乘以正向壓降。

2. MOSFET開關

　　在圖2所提供的方案中，用一個P溝道MOSFET代替圖1中的二極管D2。去掉墻上適配器時，MOSFET導通，電池向負載供電。當插入墻上適配器時，MOSFET的柵極電壓高于其源極電壓，處于關斷狀態，從而切斷電池與負載的連接。對100mA的負載電流，一個導通電阻為50mΩ的P溝道MOSFET的電壓降為0.5mV，耗電僅0.5mW，而圖1所示的二極管配置方式，電壓降為400mV，功率損耗為40mW。

　　MOSFET的導通電阻依賴于它的柵極偏置。圖2中當去掉交流電源時，MOSFET的柵極電壓為零，源極為電池電壓。MOSFET的導通電阻應在此偏壓下足夠低，保證在最大負載電流下能夠獲得所期望的輸出電壓，因此，應盡量選用低閥值MOSFET。

3. 帶交/直流切換的雙輸出

　　圖3提供了一個很實用的電源設計方案。它有兩個輸出電壓：5V/600mA和3.3V/200mA。輸入可以是一個交流電源或是一個2節、3V電池。此方案避免了圖1和圖2中的一些缺點。特別是，在電池供電回路中省去了二極管或MOSFET。

　　U1是一個開關式DC/DC升壓轉換器，它的輸入是未經穩壓的直流（2～5V），輸出為5.1V的穩定電壓。另一個開關型升壓轉換器（U2）內含線性穩壓器，它由轉換器的升壓輸出供電。將U1的輸出設置為5.1V的目的是為了確保U1的輸出高于U2的輸出。另外，為保證在交流適配器供電時由U1為U2的線性穩壓器供電，需要將U1和U2的輸出連接在一起。

　　U2可以提供300mA的負載電流，效率95％；內置線性穩壓器輸出3.3V時可提供200mA電流。為了防止電池的電流流入U1，當去掉交流適配器電源時，U2的LBI/LBO比較器關閉U1。若電池和交流電源一起供電，在U2的反饋端測得輸出電壓高于它的穩壓值時將一直保持在空閑模式。

4. 在非穩壓的直流電源和電池間切換

　　圖4是一個只有3.3V輸出的電路，輸入為墻上適配器提供的非穩定電源電壓范圍為5～16V。該電路能夠產生3.3V穩壓輸出，輸出電流為200mA，并能實現與備份電池之間的無間斷切換，備份電池由兩節AAA構成。　　U1是一個開關式的降壓型轉換器，輸出由218kΩ/122kΩ的分壓電阻設定為3.4V。為了防止電流由電池流向U1，另一對分壓電阻（R1/R2）監視輸入電壓并且在中斷交流適配器供電時關閉U1。

　　　　％。交流適配器供電時，U2的輸出被拉高到3.4V，由于所測得的電壓高于穩壓設定值，U2停止工作，。U1在為負載提供電流的同時，通過U2的輸出端為U2提供靜態電流。在這種情況下，電池的漏電流小于1μA。

5. 在穩定的直流電源和電池之間切換

　　當輸出是3.3V/200mA，輸入是經過穩壓的墻上適配器輸出時，電壓范圍為5～9V，選用線性穩壓器可以降低成本（如圖5）。

　　線性穩壓器易設計，比開關型電壓轉換器所需外部元件要少。它的缺點在于功率損耗較大，等于負載電流乘以輸入輸出的壓差。當輸入電壓高出輸出電壓很多時，浪費的功率相當可觀，這種情況下，即使不考慮效率，線性穩壓器所產生的熱量對于多數便攜式系統也是不可接受的。

　　圖5中，線性穩壓器的輸出設定在3.4V，開關型升壓器的輸出設置為3.3V。U2內置一個低電壓比較器，監視墻上適配器的電源電壓，分壓器由100kΩ電阻和三個二極管構成。當終止交流適配器供電時，比較器的輸出（LBO）變為高，Q1導通，U1被關閉，U2取得控制權，將電池電壓升壓到3.3V（效率為85％/100mA）。當恢復墻上適配器供電時，U1被喚醒產生3.4V的輸出；U2檢測到輸出高它的穩壓設定值時停止工作。在這種情況下，U2吸取的電流小于1μA。

6. 結論

　　當負載電流較小時，選用內置功率開關的開關電源控制器可獲得令人滿意的結果。較少的元件數量減少了總體尺寸，相應也簡化了印刷電路板布局。為了減少電池的漏電，應選擇帶關斷模式或空閑功能的控制器，以利于響應在外部電源改變時激活處于關閉功能的內部比較器，并可提供進一步的便利。

　　在將任何兩個電壓轉換器的輸出連接在一起之前，首先應對輸出被設定較低的轉換器做一次獨立的測試：在其輸出端強迫性地加上一個比設定值高出約0.5V的電壓，同時監測此轉換器的電源電流；交流適配器供電時，這個電流應降低到電池電流的水平（約1μA），但它不應該為負值。

摘自《器件在線》

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