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电路设计->综合电路图->综合电路图->便携式设备的开关机电源电路设计

便携式设备的开关机电源电路设计

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-11 收藏

一、概述

便携式设备最大的特点是携带方便、可以在任何时间、任何场合进行使用,可以脱离电源线供电,使用电池,且大多产品支持电池的自行更换,这个电量问题经常也是用户体验中遇到的不满意因素之一。

这就对电池和设备功耗设计提出了严格的要求:在开机工作状态下,优化功能模块上电及工作情况,电路中的器件尽可能设置在低功耗模式; 在待机状态下,只保留有必要的功能,其他尽可能休眠或关闭; 在关机状态下,完全无功耗或把功耗降低到极小。

对于关机状态,很多设备可以做到从物理上直接断开,例如采用自锁开关,这样电池没有接入到电路中,是完全没有放电的情况; 但是也有一部分设备,由于功能需求或行业要求,是无法做到从物理上直接断开的,比如一些会对人体产生外部作用的医疗器械,要求在异常情况下,设备具有自动断开电源的功能以实现对人体的保护,这样自锁类的开关就不适用了,需要在电路原理中进行一些特别的设计。

本文介绍一种长待机的可以适用于便携式设置的开关机电源电路

二、原理图解析

2.1 输入

通常便携式设备设计为可以兼顾支持电池和适配器供电,二者同时存在时互相不能有影响,图中J1是适配器接口,器件采用直流端子,J2是电池的接口插座。 不接适配器只用电池时,J1的2、3脚是短路的,相当于电池插座J2的1脚接地,2脚为正,电路系统经电池保险F2通道供电。 当外部电源适配器插入到J1时,J1的2、3脚断开,使得J2没有回流路径进而不再给电路供电,J1的1脚为正,2脚为地,电路系统通过适配器保险F1通道供电。

保险丝作用是防止电流过大烧损电路板内器件,二极管是防止电源极性反接。 R1、R2组成分压电路,分压后进入AD,监控电源情况,可以根据AD值,实时显示电池的电量。

2.2 开机电路

Q1、Q2、Q3为NPN晶体管,在此电路中工作在导通或截止状态; Q5是P沟道的MOS管,起到电源输入与电路系统的开关作用。

未开机状态下,设置合适的R4、R6,使Q1工作在饱和导通状态,则Q1的集电极为低电平,也使得Q3的基极也处于低电平,即Q3不导通。 Q5的栅极为高电平,由于源极直接连到电源端,则Q5不满足导通条件,处于截止状态,整机系统未上电。

在关机状态下,此电路没有从物理上将电源断开,因此电路一直处于耗电状态,主要耗电的器件是Q1,它是处于导通工作状态; 另外还有R3、R5,直接与电源连接形成回路。 此时根据R3、R5、R6的值,可以大概计算出来关机电流,进而可以估算出待机时间。 例如,电池容量使用1800mAh,电压为6V,R6=100K,R3+R5
= 200K,通过R6的电流为0.06mA,通过R3+R5的电流为0.03mA,则总电流为0.09约为0.1mA,则待机时间为1800mAh/0.1mA =
18000h ≈ 25个月。

网络P-KEY接开机按键,按键按下将P-KEY拉低,使Q1基极为0V进而截止,Q3基极为高电平进而导通,Q3的集电极与Q5栅极连在一起,所以Q5的栅极为0V,则Q5满足导通条件,电源VIN的供电通过Q5这个开关进入其他电路中。

电路系统中的MCU上电后,IO口控制端P-CTL置高,使Q2工作在导通状态,当按键抬起后,P-CTL维持高电平,Q2仍处于导通状态,即Q5的栅极保持在0V,所以电源VIN的供电不会断,整个系统完成开机与上电过程。

原理图中的D3属EMC器件,是瞬态抑制二极管,起到吸收浪涌功率的作用,用来保护电源在静电放电和电快速脉冲群测试中不受影响。

2.3 电源电路

系统开机后,将电压通过U1升压芯片先把电压升高,再通过多个LDO将合适的电压分配给各功能模块。 先将电压升高可以最大的利用电池的电量,避免电量降低时,影响到LDO的输出。 图3中的网络P-CTL与图2中保持Q2工作在导通状态下的网络相同,MCU使用同一个IO口即可。

三、P沟道MOS的选型

3.1 确认选P还是选N

MOS管通常作为开关来使用,如果负载一端接到电源,即负载在高压端,那么MOS管开关只能放到低压端,这种情况采用N沟道的MOS,低压端MOS的源极常接在GND; 如果负载一端接到GND,即负载在低压端,那么MOS管开关放到高压端,这种情况采用P沟道的MOS,高压端MOS的源极常直接连电源。

3.2 确认MOS的电流

ID是指MOS管可持续通过的漏源电流,是在芯片满足散热条件下的参考值,当环境温度升高后,ID会减小;IDM是指MOS的峰值电流,这是一个瞬态值。 在选择参数时,电路稳定工作电流要小于ID且留有一定的余量。

3.3工作损耗和散热

MOS管在工作时会产生开关损耗和导通损耗,转化为热量体现出来。

导通损耗出现的根本是由于MOS是非理想器件,这个主要是由RDS(ON)和工作温度相关,Vgs越大,RDS(ON)越小,所以在器件选型时优先选择满足导通条件下RDS(ON)尽可能小的型号。

开关损耗主要包括两部分:开启过程中同时存在的逐渐降低的VDS和逐渐上升的负载电流产生的损耗、关闭过程中同时存在的逐渐升高的VDS和逐渐下降的负载电流产生的损耗。

关于MOS管的损耗,如果细致研究其实还有很多因素,比如截止时VDS(Off)和IDSS产生的损耗、栅极驱动过程中产生的损耗、体二极管正向导通及反向恢复产生的损耗等。

MOS管的工作损耗是一个综合的、变化的东西,比较复杂,即使计算也不能很准确的得到损耗数值,只能大概评估损耗的量级,所以选型时要根据使用需求和负载综合考虑各种因素; 如果条件允许可以选用双通道的MOS,或者选择增加散热片、使用导热硅胶片等,创造一个很良好的散热环境。



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