CN103138376B - 电源切换电路及其电源切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源切换电路及其电源切换方法，该电源切换电路包含一第一开关电路、一第二开关电路和一缓启动电路。第一开关电路耦接于第一电源端，并且根据第一电源端的电压位准决定导通或关闭。第二开关电路耦接于第一开关电路、第二电源端和负载之间，并根据第一电源和第二电源的电压位准决定导通或关闭。缓启动电路耦接于第一开关电路和负载之间。当第一电源端的电压位准大于一预设值时，第一开关电路导通且第二开关电路关闭，当第一电源端的电压位准低于该预设值时，第一开关电路关闭且第二开关电路导通，其中缓启动电路在第一开关电路导通一预设时间后导通。本发明通过硬件电路设计方式来达成电源管理，进而降低系统资源耗损。

Description

电源切换电路及其电源切换方法

技术领域

本发明涉及一种电源切换电路，特别是涉及一种防止瞬间涌入电流的电源切换电路及利用该电源切换电路实现的电源切换方法。

背景技术

近年来科技发展迅速，电子产品的种类及产量也越来越多，如笔记本电脑、无线分享器、PDA(掌上电脑)、数字相机以及移动电话等，在多数的电子产品或系统单芯片(system on chip；SOC)的设计中，为有效使用电源，双电源设计(dual power)普遍应用于各种电子设备中。

请参考图1，显示一具有双电源设计的电源管理系统100架构图。电源管理系统100包括一第一电源101、一第二电源102、一电源切换电路103及一负载104。其中，当第一电源存在时，由第一电源供电，当二组电源同时存在时，也由第一电源供电，当第一电源移除时，第二电源接着供电。

然而，现有的电源管理系统在启动第一电源101时，第一电源101供电至负载104，其瞬间涌入电流会损坏负载104端的电子装置。另外，以软件方式控制电源管理系统来切换电源，会占据电源管理系统部分的存储器空间，以及消耗微处理器的工作时间，使整体效能降低。例如，在一台数字相机中，存储器内除了用数据库程序来管理存档和用影像程序来管理镜头之外，如果还使用电源管理程序来管理电源供应，无疑地会占用更多的存储器空间，而微处理器在处理多个程序的同时，电源管理程序也会占据微处理器部份的工作时间，并造成其它程序反应较缓慢的情形。详细而言，当电源管理系统100连接笔记本电脑供电给移动电话，并使用USB接口来进行数据传输时，除了要管理数据传输外，还需要同时兼顾充电的功能，因此，电源管理系统100的软件程序设计的复杂度较高，并且开发执行上会比较困难，更不用说在笔记本电脑中有更多程序在同时执行，该电源管理程序对系统资源的消耗，将对其它程序的影响将更加显著。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术电源管理系统在瞬间涌入电流时会破坏负载以及切换电源会占据电源管理系统的存储器空间的缺陷，提供一种电源切换电路及其电源切换方法，该电源切换电路具有能够防止瞬间涌入电流的缓启动电路，并通过硬件电路设计的方式来降低电源管理系统占用软件资源。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供一种电源切换电路，用于切换一第一电源和一第二电源，电源切换电路包含：一第一开关电路、一第二开关电路和一缓启动电路。第一开关电路耦接于第一电源，根据第一电源的电压位准决定导通或关闭。第二开关电路耦接于第一开关电路、第二电源端和负载之间，根据第一电源和第二电源的电压位准决定导通或关闭；缓启动电路耦接于第一开关电路和负载之间；其中，当第一电源的电压位准大于一预设值时，第一开关电路导通且第二开关电路关闭；当第一电源的电压位准小于该预设值时，第一开关电路关闭且第二开关电路导通，其中缓启动电路在第一开关电路导通一预设时间后导通。

在本发明一实施例中，其中第一开关电路包括：一第一P型场效应晶体管、一第一电阻、一第二电阻、一第三电阻、一第四电阻、一第一电容和一第一NPN晶体管。第一P型场效应晶体管的漏极耦接于第一电源。第一电阻耦接于第一电源和接地端之间。第二电阻的第一端耦接于第一P型场效应晶体管的漏极。第三电阻的一第一端耦接于第一P型场效应晶体管的栅极。第四电阻，耦接于第一P型场效应晶体管的源极和栅极之间。第一电容耦接于第二电阻的第二端和接地端之间。第一NPN晶体管的集电极耦接于第三电阻的第二端，其基极耦接于第二电阻的第二端，其发射极耦接于接地端。

在本发明一实施例中，其中第二开关电路包括：一第二P型场效应晶体管、一第一二极管、一第二二极管、一第五电阻、一第六电阻、一第七电阻和一第八电阻。第二P型场效应晶体管的漏极耦接于第五电阻的第二端。第一二极管的阳极耦接于第一电源，其阴极耦接于第二P型场效应晶体管的栅极。第二二极管的阳极耦接于第二P型场效应晶体管的漏极，其阴极耦接于第二P型场效应晶体管的源极。第五电阻的第一端耦接于第二电源。第六电阻的第一端耦接于第二P型场效应晶体管的漏极。第七电阻的第一端耦接于第二P型场效应晶体管的栅极。第八电阻耦接于第二P型场效应晶体管的源极和栅极之间；第二NPN晶体管的集电极耦接于第七电阻的第二端，其基极耦接于该第六电阻的第二端，其发射极耦接于接地端。

在本发明一实施例中，其中缓启动电路包括：一第三P型场效应晶体管、一第二电容、一第九电阻、一第十电阻和一第十一电阻。第三P型场效应晶体管的源极耦接于第一开关电路的输出。第二电容耦接于该第三P型场效应晶体管的源极和栅极之间。第九电阻耦接于第一开关电路的输出和接地端之间。第十电阻耦接于第三P型场效应晶体管的源极和栅极之间。第十一电阻耦接于第三P型场效应晶体管的栅极与该接地端之间。

在本发明一实施例中，电源切换电路还包括一信号显示电路，耦接于第一电源，信号显示电路包括：一第十二电阻、一第十三电阻、一信号指示器和一第三NPN晶体管。第十二电阻的第一端耦接于第一电源。第十三电阻的第一端耦接于第三电源。信号指示器耦接于第十三电阻的第二端。第三NPN晶体管的集电极耦接于第十三电阻一第二端，其基极耦接于第十二电阻的第二端，其发射极耦接于接地端。

本发明另提供一种电源切换方法，适用上述电源切换电路，本方法根据第一电源的电压，决定第一开关电路与第二开关电路的导通时间。当第一电源的电压位准大于预设值时，导通第一开关电路且关闭第二开关电路，其中缓启动电路在第一开关电路导通一预设时间后导通。当第一电源的电压位准小于预设值时，关闭第一开关电路且导通第二开关电路。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的电源切换电路即一种通过硬件电路设计方式来达成电源管理，进而降低系统资源耗损的电源切换电路，并以此提升电源管理系统的整体效能。

附图说明

图1为现有的双电源设计的电子系统结构图。

图2为本发明的一较佳实施例的电源切换电路的方框图。

图3为本发明的一较佳实施例的电源切换电路的电路图。

图4为本发明的一较佳实施例的电源切换方法的流程图。

【主要元件符号说明】

100：电源管理系统

101、201：第一电源

102、202：第二电源

103、200：电源切换电路

104、250：负载

203：第三电源

210：第一开关电路

220：第二开关电路

230：缓启动电路

240：信号显示电路

241：信号指示器

R1～R13：电阻

C1、C2：电容

NT1、NT2、NT3：NPN晶体管

Q1、Q2、Q3：P型场效应晶体管

D1：第一二极管

D2：第二二极管

D：漏极

S：源极

G：栅极

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图2为本发明的一较佳实施例的电源切换电路的方框图。电源切换电路200包括第一开关电路210、第二开关电路220、缓启动电路230、信号显示电路240和负载250。电源切换电路200耦接于第一电源201、第二电源202和负载250之间，用以切换第一电源201和第二电源202，从而供电至负载250。第一电源201和第二电源202，例如为直流电源，用于输出电压和电流，并可以单独供电或第一电源201和第二电源202可以为相同电位切换供电。

第一开关电路210耦接于第一电源201、第二开关电路220和缓启动电路230之间，用于根据第一电源201端的电压位准决定导通或关闭。第二开关电路220耦接于第二电源202、第一开关电路210和负载250之间，并根据第一电源201和第二电源202的电压位准决定导通或关闭。缓启动电路230耦接于第一开关电路210和负载250之间，用于防止瞬间涌入电流(Inrushcurrent)。

具体而言，当第一电源201端的电压位准大于一预设值时，第一开关电路210导通且第二开关电路220关闭，当第一电源201端的电压位准低于该预设值时，第一开关电路210关闭且第二开关电路220导通，其中缓启动电路230在第一开关电路210导通一预设时间后导通。另外，信号显示电路240耦接于第一开关电路210和第二开关电路220之间，用于显示电源切换信号。

图3所示为本发明的一较佳实施例的电源切换电路200的电路图。第一开关电路210包括第一P型场效应晶体管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第一NPN晶体管NT1。第一P型场效应晶体管Q1，例如为P channel MOSFET(P沟道金属氧化物场效应晶体管)或增强型P channel MOSFET，其中第一P型场效应晶体管Q1的栅极G耦接第三电阻R3第一端、第四电阻R4；第一P型场效应晶体管Q1的源极S耦接第四电阻R4；第一P型场效应晶体管Q1的漏极D耦接第二电阻R2第一端。

第一电阻R1耦接于第一电源201和接地端GND之间。第四电阻R4耦接于第一P型场效应晶体管Q1的源极S与栅极G之间，用于调整该第一P型场效应晶体管Q1栅极G与源极S间的电压，避免栅极G和源极S间的电压过高。第一电容C1耦接于第二电阻R2第二端与接地端GND之间，用于稳定电流并防止不稳定的电流回灌至第一P型场效应晶体管Q1。

第一NPN晶体管NT1，例如为NPN双结晶体管(NPN bipolar junctiontransistor)，其基极耦接于第二电阻R2第二端，其集电极耦接于第三电阻R3的第二端，其发射极耦接于接地端GND。

第二开关电路220包括第二P型场效应晶体管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二NPN晶体管NT2。第二P型场效应晶体管Q2，例如为P channel MOSFET或增强型P channel MOSFET，其中第二P型场效应晶体管Q2的栅极G耦接第七电阻R7第一端和第一二极管D1的阴极，第二P型场效应晶体管Q2的源极S耦接第八电阻R8、第二二极管D2的阴极和负载250，第二P型场效应晶体管Q2的漏极D耦接第五电阻R5第二端、第六电阻R6第一端和第二二极管D2的阳极。

第一二极管D1的阳极耦接于第一电源201和第一开关电路210，其阴极耦接于第二P型场效应晶体管Q2的栅极G，用于根据第一电源201和第一开关电路210的电压位准决定导通或关闭。第二二极管D2耦接于第二P型场效应晶体管Q2的源极S和漏极D，当第一电源201的电压位准低于该预设值时，第二二极管D2将瞬间导通，用于防止系统断电，其中第一二极管D1例如为一般二极管，第二二极管D2例如为肖特基二极管(Schottkydiode)。

接下来，第五电阻R5第一端耦接于第二电源202。第八电阻R8耦接于第二P型场效应晶体管Q2的栅极G和源极S之间，用于调整第二P型场效应晶体管Q2栅极G和源极S间的电压，避免该栅极G和该源极S间的电压过高。第二NPN晶体管NT2例如为NPN双结晶体管(NPN bipolar junctiontransistor)，第二NPN晶体管NT2的基极耦接于第六电阻R6第二端，其集电极耦接于第七电阻R7第二端，与其发射极耦接于接地端GND。

其中，第二开关电路220受控于第二P型场效应晶体管Q2的栅极G和源极S间的电压，从而决定该第二开关电路220的导通或关闭，例如为第二P型场效应晶体管Q2的栅极G和源极S间的电压大于一阈值(threshhold)后电流导通。值得注意的是，第二P型场效应晶体管Q2的栅极G和源极S间的电压受控于该第一二极管D1的电压位准，第一二极管D1根据第一开关电路210的电压位准决定导通或关闭。

换句话说，当第一开关电路210导通时，第一二极管D1也导通，第二P型场效应晶体管Q2的栅极G和源极S间的电压为0，第二开关电路220关闭，相反的，当第一开关电路210关闭时，第一二极管D1也关闭，第二P型场效应晶体管Q2的栅极G和源极S间的电压大于一阈值后电流导通，即第二开关电路220导通。

请继续参见图3，缓启动电路230包括：第三P型场效应晶体管Q3、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第二电容C2。第三P型场效应晶体管Q3包括栅极G、源极S和漏极D，该栅极G耦接第十电阻R10、第十一电阻R11和第二电容C2，该源极S耦接于第一开关电路210、第九电阻R9、第十电阻R10和第二电容C2，该漏极D耦接于负载250。

接下来，第二电容C2耦接于该第九电阻R9、第十电阻R10和第十一电阻R11之间，其中缓启动电路230受控于第二电容C2达到饱和电压的一预设时间后导通，用于将电流储存至第二电容C2，作为防止瞬间电流的缓启动装置，另外在第二电容C2达到饱和电压后，通过第九电阻R9将第二电容C2的饱和电流导至接地端GND，例如在一个使用固定直流电压源的电路中，第二电容C2两端的电压不会超过电源的电压，当第二电容C2两端的电压已不再变动，流过第二电容C2的电流为零时，即达到第二电容C2的饱和电压，当直流电压源消失时，此时第二电容C2的电流会经第九电阻R9导至接地端GND。

第九电阻R9耦接于第一开关电路210和接地端GND之间。第十电阻R10耦接于第三P型场效应晶体管Q3的栅极G和源极S之间，用于调整该第三P型场效应晶体管Q3栅极G和源极S间的电压，避免栅极G和源极S间的电压过高。其中，缓启动电路230受控于该第三P型场效应晶体管Q3的源极S和栅极G间的电压导通或关闭，例如为第三P型场效应晶体管Q3的栅极G和源极S间的电压大于一阈值后电流导通。

请继续参见图3，信号显示电路240包括：第三电源203、第十二电阻R12、第十三电阻R13、信号指示器241和第三NPN晶体管NT3，用于显示第一电源201或第二电源202供电状态。第十二电阻R12第一端耦接于第一电源201、第二电源202、第一开关电路210和第二开关电路220之间。第十三电阻R13第一端耦接于第三电源203。信号指示器241耦接于第十三电阻R13第二端。第三NPN晶体管NT3的基极耦接于第十二电阻R12第二端，其集电极耦接于第十三电阻R13第二端与该信号指示器241，还与其发射极耦接于接地端GND之间。其中，信号指示器241受控于第三电源203的电压位准决定导通或关闭。

本发明提出一种电源切换电路200，用于切换的第一电源201和第二电源202，且第一电源201可以为主电源，第二电源202可以为辅助电源，其电源切换电路200工作模式可以包括：

模式一：当第一电源201单独供电时，第一开关电路210将导通，再由缓启动电路240于一预设时间后导通，第一电源201通过第一开关电路210和缓启动电路240供电至负载250端。

模式二：当第二电源202单独供电时，第二开关电路220将导通，第二电源202通过第二开关电路220供电至负载250端。

模式三：当第二电源202供电时，再以第一电源201供电，第二开关电路220的第一二极管D1将控制第二P型场效应晶体管Q2的栅极G和源极S间的电压，使第二开关电路220关闭导通电流。

模式四：当第一电源201和第二电源202同时供电，再将第一电源201关闭时，第二开关电路220的第二二极管D2将瞬间提供第二P型场效应晶体管Q2输出端一略低于第二电源202的电压，以防止断电，并再将第二P型场效应晶体管Q2导通。

模式五：当第一电源201供电后，再以第二电源202供电时，第一开关电路210和缓启动电路230维持导通电流，第二开关电路220关闭导通电流。

由上述可知，本实施例的电源切换电路200用于切换第一电源201和第二电源202。其中第一开关电路210根据第一电源201的电压位准决定导通或关闭，当第一电源201的电压位准大于预设值时，第一开关电路210导通，第二开关电路220关闭，且缓启动电路230在第一开关电路210导通一预设时间后导通。在另一状况下，当第一电源201的电压位准小于预设值时，第二电源202会启动供电，第一开关电路210关闭且第二开关电路220导通。

当第一电源201通过电源切换电路200供电至负载250端时，第一开关电路210导通，缓启动电路230通过第二电容C2和第三P型场效应晶体管Q3等元件先关闭一预设时间后导通，因此，缓启动电路230可防止瞬间涌入电流。当第一电源201停止供电至负载250时，第二电源202会通过电源切换电路200供电至负载250，此时，第一开关电路210关闭且第二开关电路220导通。接下来，配合图2～图4说明电源切换电路200的电源切换方法。图4为本实施例的电源切换方法的流程图。，其包括步骤如下：

步骤S401：判断第一电源的电压位准是否大于预设值，若是，则进行步骤S402，若否，则进行步骤S404。

步骤S402：第一开关电路210导通且第二开关电路220关闭，进行步骤S403。

步骤S403：在一预设时间后，缓启动电路230导通，进行步骤S405。

步骤S404：第一开关电路210关闭且第二开关电路220导通，进行步骤S405。

步骤S405：供电至负载250端。

所以在上述说明中，本发明的电源切换电路200通过二极管和晶体管等元件所设计的硬件电路，可防止电路导通的瞬间涌入电流损坏负载端的电子装置。电源切换电路200设计为硬件电路，可降低占用电源管理系统的存储器空间与微处理器的工作时间，并避免使用软件控制电源切换的问题发生。在实际运作中，如果需要强制使用第一电源201或第二电源202来供电，也可以通过软件经由微处理器的控制达到此功能。因此，一般状态下能通过硬件电路自动切换的方式来降低资源耗损，并且也能符合原来用软件控制的使用需求。

值得一提的是，该第一电源201/第二电源202除了可以适用直流电源外，实际上也可以使用USB电源、干电池组、太阳能电池组，以及车用电源来供电，本发明一样可以达到自动电源切换供应的使用要求。

综上所述，本发明的电源切换电路可应用于无线分享器或其他电子设备切换电源使用，其利用硬件电路替代软件控制，以此简化电路操作流程和资源，并提高了电源切换电路效率与稳定度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电源切换电路，用于切换一第一电源与一第二电源，其特征在于，该电源切换电路包含：

一第一开关电路，耦接于该第一电源，根据该第一电源的电压位准决定导通或关闭；

一第二开关电路，耦接于该第一开关电路、该第二电源和一负载之间，根据该第一电源和该第二电源的电压位准决定导通或关闭，包括：

一第五电阻，具有一第一端，耦接于该第二电源；

一第二P型场效应晶体管，其漏极耦接于该第五电阻的一第二端；

一第一二极管，其阳极耦接于该第一电源，其阴极耦接于该第二P型场效应晶体管的栅极；

一第二二极管，其阳极耦接于该第二P型场效应晶体管的漏极，其阴极耦接于该第二P型场效应晶体管的源极；

一第六电阻，具有一第一端，耦接于该第二P型场效应晶体管的漏极；

一第七电阻，具有一第一端，耦接于该第二P型场效应晶体管的栅极；

一第八电阻，耦接于该第二P型场效应晶体管的源极和栅极之间；以及

一第二NPN晶体管，其集电极耦接于该第七电阻的一第二端，其基极耦接于该第六电阻的一第二端，其发射极耦接于一接地端；以及一缓启动电路，耦接于该第一开关电路和该负载之间；

其中，当该第一电源的电压位准大于一预设值时，该第一开关电路导通且该第二开关电路关闭；当该第一电源的电压位准小于该预设值时，该第一开关电路关闭且该第二开关电路导通，其中该缓启动电路在该第一开关电路导通一预设时间后导通。

2.如权利要求1所述的电源切换电路，其特征在于，该第一开关电路包括：

一第一P型场效应晶体管，其漏极耦接于该第一电源；

一第一电阻，耦接于该第一电源和一接地端之间；

一第二电阻，具有一第一端，耦接于该第一P型场效应晶体管的漏极；

一第三电阻，具有一第一端，耦接于该第一P型场效应晶体管的栅极；

一第四电阻，耦接于该第一P型场效应晶体管的源极和栅极之间；

一第一电容，耦接于该第二电阻的一第二端和该接地端之间；以及

一第一NPN晶体管，其集电极耦接于该第三电阻的一第二端，其基极耦接于该第二电阻的该第二端，其发射极耦接于该接地端。

3.如权利要求1所述的电源切换电路，其特征在于，该缓启动电路包括：

一第三P型场效应晶体管，其源极耦接于该第一开关电路的输出；

一第九电阻，耦接于该第一开关电路的输出和一接地端之间；

一第十电阻，耦接于该第三P型场效应晶体管的源极和栅极之间；

一第十一电阻，耦接于该第三P型场效应晶体管的栅极和该接地端之间；以及

一第二电容，耦接于该第三P型场效应晶体管的源极和栅极之间。

4.如权利要求2所述的电源切换电路，其特征在于，该缓启动电路包括:

一第三P型场效应晶体管，其源极耦接于该第一开关电路的输出；

一第九电阻，耦接于该第一开关电路的输出和该接地端之间；

一第十电阻，耦接于该第三P型场效应晶体管的源极和栅极之间；

一第十一电阻，耦接于该第三P型场效应晶体管的栅极和该接地端之间；以及

一第二电容，耦接于该第三P型场效应晶体管的源极和栅极之间。

5.如权利要求1所述的电源切换电路，其特征在于，还包括：

一信号显示电路，耦接于该第一电源，该信号显示电路包括：

一第十二电阻，具有一第一端，耦接于该第一电源；

一第十三电阻，具有一第一端，耦接于一第三电源；

一信号指示器，耦接于该第十三电阻的一第二端；以及

一第三NPN晶体管，其集电极耦接于该第十三电阻一第二端，其基极耦接于该第十二电阻的一第二端，其发射极耦接于一接地端。

6.一种电源切换方法，用于切换一第一电源和一第二电源，其特征在于，该电源切换方法包含：

提供一电源切换电路，该电源切换电路包括一第一开关电路、一第二开关电路和一缓启动电路，其中该第一开关电路耦接于该第一电源，该第二开关电路耦接于该第一开关电路、该第二电源和一负载之间，该缓启动电路耦接于该第一开关电路和该负载之间，其中该第二开关电路包括一第五电阻、一第二P型场效应晶体管、一第一二极管、一第二二极管、一第六电阻、一第七电阻、一第八电阻、一第二NPN晶体管，该第五电阻的第一端及第二端分别耦接于该第二电源与该第二P型场效应晶体管的漏极，该第一二极管的阳极及阴极分别耦接于该第一电源与该第二P型场效应晶体管的栅极，该第二二极管的阳极及阴极分别耦接于该第二P型场效应晶体管的漏极与该第二P型场效应晶体管的源极，该第六电阻的第一端及第二端分别耦接于该第二P型场效应晶体管的漏极与该第二NPN晶体管的基极，该第七电阻的第一端及第二端分别耦接于该第二P型场效应晶体管的栅极与该第二NPN晶体管的集电极，该第八电阻耦接于该第二P型场效应晶体管的源极和栅极之间；

判断该第一电源的电压位准是否大于一预设值；

当该第一电源的电压位准大于该预设值时，导通该第一开关电路且关闭该第二开关电路，其中该缓启动电路在该第一开关电路导通一预设时间后导通；以及

当该第一电源的电压位准小于该预设值时，关闭该第一开关电路且导通该第二开关电路。