锂电池usb充电电路 USB与电池供电切换电路介绍|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

USB与电池供电切换电路介绍

很多电子产品中都用电池供电，通过USB充电。当插上USB的时候，如果设备仍然需要工作，我们希望通过USB供电同时切断电池的供电。下面就介绍如何通过一个二极管、一个电阻和一个pmos管来实现。

USB电压为5V，电池选择锂电池，满电电压4.2V。当没有接USB的时候，PMOS的G极通过电阻接到了GND，所以G极的电压为0V。PMOS的D极通过内部的续流二极管通到了S极，S极的电压就是4.2V-0.7V=3.5V，所以Vgs(-3.5V)<Vgs(th）(-1V)（这个mos管的导通电压典型值为-1V），MOS管导通，VCC等于电池电压，同时短路了MOS管的续流二极管。二极管1N5819阻止电压通到G极。

当接入USB电源后，通过二极管1N5819到VCC，电压大概为5-0.7=4.3V。而G极的电压变成了USB的电压5V，所以Vgs(0.7V)>Vgs(th）(-1V)，MOS管截止，D极和S极不导通。

理论上使用二极管也可以实现类似的功能，比如下图。当没有接USB的时候，二极管导通，由电池供电；当接入USB电源后，二极管截止，由USB供电。

之所以不使用这种方式，我目前知道的原因有：

1、二极管有压降；

2、二极管消耗的电池能量比MOS大；

欢迎大家补充。

在网上还有一些电路对调了MOS管的DS极，如下图所示。(说明一下，这个不推荐使用)

错误的方案

通过前面类似的方式分析，这个电路可以实现类似的功能，但是有一个问题，当USB供电的时候，MOS管D极的电压高于S极，续流二极管会导通，电流会通过这个二极管倒灌回电池，给电池充电。这是很危险的，首先电压不匹配，其次没有充电管理，很容易过充，损坏电池甚至引发电池爆炸。网上这种图有不少，大家使用前一定要仔细分析分析，不要随便拿过来就用。

到此，我们实现了USB和电池供电的切换电路设计，希望对小伙伴们有所帮助。如果我讲的有错误的地方，欢迎大家指出。

外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路，便携电子设备常用

▲ 本文要分析的电路

很多内置有锂电池的便携电子设备，比如手机，通常采用这样的供电方式：

1、没有插入USB电源时，使用内置的锂电池供电。2、当插入USB电源时，切换为由外置的USB电源供电，并对锂电池进行充电。

下图电路就是实现上述的功能，它来自一款电子书阅读器（Kindle同类产品）：

这是已量产的电路，成熟稳定，实物电路板如下图所示，几个关键的元器件做了标注：

本文要讲解的是“外置USB供电与内置锂电池供电的自动切换电路”，所以先把上述电路中不相关的电路隐藏。

也就是隐藏锂电池充电管理、电源滤波等电路：

隐藏后变成这样：

这一下子，电路变得好简单，实现电源切换的功能，竟然只需要一个二极管、一个MOS管、一个电阻！

一、电路说明

将上述的“外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路”整理一下，弄好看点：

功能逻辑是这样的：

1、当插着USB电源时，由外置的USB电源供电，即VBUS对VOUT供电。2、当拔掉USB电源时，切换为由内置的锂电池供电，即VBAT对VOUT供电。3、当重新插入USB电源时，切换为由外置的USB电源供电，即VBUS对VOUT供电。

二、原理分析

假设VBUS的电压为5V，VBAT的电压为3.7V，下面开始分析。

1、当插着USB电源时：

VBUS通过肖特基二极管D9到达VOUT。

肖特基二极管的导通压降约为0.3V，USB电压VBUS = 5V，所以：

VOUT = 5V - 0.3V = 4.7V

由于VBAT为3.7V，MOS管Q4的s极为4.7V，g极为5V，由此可知：

Vgs = 5V - 4.7V = 0.3V > 0

所以MOS管处于不导通状态,同时其体二极管也是反向截止。

由于电阻R155的存在，会浪费一些功耗，流过R155的电流为：

5V / 10Kohm = 0.5mA

2、当拔掉USB电源时：

VBUS的电压会从5V开始往下降，电阻R155起到给VBUS放电的作用。

VBUS的电压需要快速下降，因为如果下降慢了，会导致MOS管Q4打开变慢，也就不能很快地切换为电池VBAT供电。

如下图，假设VBUS缓慢下降到4.9V，即MOS管Q4的g极为4.9V。电池电压VBAT通过MOS管Q4的体二极管后降低了约0.7V，变为3V，即MOS管的Vgs电压为：

4.9V - 3V = 1.9V > 0

MOS管仍然不导通，VOUT的供电没有完全切换为VBAT。

假设VBUS已经下降为1V，如下图。

则Vgs = 1V - 3V = -2V，MOS管已经逐渐打开。

最终，VBUS会降到0V，MOS管也会完全打开，VOUT切换为用VBAT供电，VOUT电压变为3.7V：

VBUS接的滤波电容会令其电压下降缓慢，如果发现VBUS的电压下降过慢，可以减小R155的阻值。但是这样会导致在插入USB电源时，流过R155的电流变大，增加了无谓的功耗。

所以R155的阻值不能过大也不能过小，需根据实际调试的效果来决定。

3、当重新插入USB电源时：

如下图，MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0，MOS管不导通，并且其体二极管也是反向偏置。

VOUT切换为用VBUS供电，Vout电压变为4.7V。

三、性能提升

在拔掉USB电源的瞬间，有没有可能MOS管Q4来不及打开，导致VBAT的电压没有及时切过来？

是有可能的。

MOS管Q4没有快速打开，VBAT供电不能及时续上来，会导致VOUT电压下降过多，VOUT的负载电路就可能工作异常。如果电路的负载较重，拉取的电流较大，尤其容易出现在供电电源切换时VOUT电压下降过多的问题。

怎么办呢？

1、可以加快MOS管打开导通的速度。方法是减小VBUS的滤波电容的容值，减小电阻R155的阻值，这都是让VBUS快速掉电，从而让Vgs快点到达令MOS管完全打开的电压。2、在VOUT增加滤波电容，但是效果不怎么明显。3、这是重点！可以给MOS管并联一个肖特基二极管D1，如下图所示：

该肖特基二极管D1的正向导通压降约为0.3V，比MOS管的体二极管要小。在MOS管完全打开之前，VBAT通过肖特基二极管D1对VOUT进行供电，可以缓解VOUT电压下降过多的问题。

这个方法非常实用，该电路与方法已经被申请了实用新型专利。其实很多再普通不过的电路都被申请了实用新型专利，尽管这些电路被大众长期使用在先，具体就不展开了。

四、应用案例

除了上述的电子书阅读器有应用之外，还有大量的产品使用了这个切换电路。

比如MicroPython领域著名的01Studio公司 ，其出品的多款开发板都有这个切换电路。

以其中的一款“pyWiFi-ESP32”举例，其电源部分的电路图如下：

其中，电源切换相关的电路在这里：

标注对应的实物图：

五、最后

关于电路的学习，希望大家，enjoy!

来源：电路啊

作者：LR梁锐

锂电池usb充电电路 USB与电池供电切换电路介绍

USB与电池供电切换电路介绍

外置USB供电与内置锂电池供电自动切换电路，便携电子设备常用