CN113675939B - 一种低损耗内外供电无缝切换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低损耗内外供电无缝切换电路，包括比较电路1、内部供电电压检测电路2、第一控制电路3、第二控制电路4、与外部供电的的供电输出端电连接的第一开关电路5、与内部供电的供电输出端电连接的第二开关电路6，以及与所述第一开关电路和第二开关电路的输出端电连接的供电输出接口7。本发明可以实现内部供电和外部供电的无缝切换，反复切换过程中，输出电压不会中断，能够在内部供电电压不足时自动关断内部供电，以保护内部电源。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种低损耗内外供电无缝切换电路。
背景技术
在电子技术高速发展的今天，电子设备种类和数量都不断增加，越来越多的电子设备需要同时支持外部供电和内部供电，且二者之间可以无缝切换，用于保证移动应用，或特殊情况下的持续使用，比如汽车行驶记录仪、车载视频终端、eCall、手持终端等。
现有技术的缺陷和不足：
二极管自动切换方式
原理：如图3所示，二极管D1的A端连接外部供电，K端连接自动切换输出；二极管D2的A端连接内部供电，K端连接自动切换输出。该技术具有电路简单，成本低廉等优点。
缺点：1、二极管导通时内部有0.6V的压降，也就是说自动切换输出端电压始终比输入端电压低0.6V，主要用于对压降要求不高的情况。2、当工作电流较大时，二极管上损耗的功率较大，发热也较大，主要用于工作电流较小的情况。
外电检测切换方式
原理：将外部供电作为开关切换的信号，当有外部供电时，产生开关信号，关断内部供电，使用外部供电；当外部供电移除时，无开关信号，接通内部供电。
缺点：1、只要外部供电有电压输入，不管供电电压是否达到要求的电压值，都会关断内部供电，使用外部供电；如果外部供电电压过低，也会使用外部供电，导致电子设备无法正常工作。2、只在内部供电上加有开关，外部供电未加开关，当切换电路处于内部供电模式时，内部供电会反串入外部供电回路，给同一回路中的其他设备供电，一方面会减少内部供电持续时间，另一方面可能因为负载过多损坏内部供电电源。
带稳压二极管的外电检测切换方式
原理：将外部供电经过一个反向稳压二极管之后，再作为开关切换的信号，当有外部供电，且供电电压高于稳压二极管反向击穿电压时，产生开关信号，关断内部供电，使用外部供电；当外部供电移除或者小于稳压二极管反向击穿电压时，无开关信号，使用内部供电。
缺点：1、需要增加一个稳压二极管。2、需要根据外部供电和内部供电的实际情况对稳压二极管反向击穿电压进行选型，不同的供电或负载需要选用不同规格的稳压二极管。
使用比较器的外电检测切换方式
原理：使用一个比较器(集成电路)对外部供电与参考电压进行比较，将比较器的输出结果作为开关切换的信号，当有外部供电且供电电压高于参考电压时，产生开关信号，关断内部供电，使用外部供电；当外部供电移除或者小于参考电压时，无开关信号，使用内部供电。
缺点：1、需要增加一个比较器(集成电路)，成本增加较多。2、需要根据外部供电和内部供电的实际情况对参考电压进行调整，不同的供电或负载需要选用不同规格的参考电压。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种低损耗低成本的内外供电无缝切换技术方案及其实现电路。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种低损耗内外供电无缝切换电路，包括比较电路、内部供电电压检测电路、第一控制电路、第二控制电路、与外部供电的的供电输出端电连接的第一开关电路、与内部供电的供电输出端电连接的第二开关电路，以及与所述第一开关电路和第二开关电路的输出端电连接的供电输出接口；
所述外部供电以及内部供电供电输出端均与所述比较电路的输入端电连接；所述比较电路用于比较外部供电以及内部供电的供电电压；
所述比较电路的输出端分别与所述第一控制电路和第二控制电路的输入端电连接；
所述内部供电电压检测电路的输入端与所述内部供电的供电输出端电连接，用于检测内部供电的输出电压；所述内部供电电压检测电路的输出端与所述第二控制电路的输入端输入端电连接；
所述第一控制电路的输出端与第一开关电路的控制端电连接，用于在外部供电高于内部供电的供电电压时，导通第一开关电路，供电输出接口输出外部供电电压，在外部电压低于内部供电的供电电压时，完全关断第一开关电路，防止供电输出接口的电能流入外部供电回路；
所述第二控制电路的输出端与第二开关电路的控制端电连接，用于在外部供电小于内部供电的供电电压且内部供电电压高于预设阈值时，导通第二开关电路，供电输出接口输出内部供电电压，在外部电压高于内部供电的供电电压时，完全关断第二开关电路，防止供电输出接口的电能流入内部供电电源。
进一步的，所述比较电路包括一个PNP型三极管Q3和一个电阻R4；三极管Q3的发射极连接外部供电，三极管Q3的基极通过电阻R4连接内部供电，三极管的集电极作为输出与所述第一控制电路和第二控制电路的输入端电连接；所述外部供电比内部供电的供电电压高0.6V以上，即当三极管发射极电压比基极电压高0.6V以上时，三极管Q3导通。
进一步的，所述内部供电电压检测电路包括电阻R7和电阻R9，电阻R7和电阻R9串联后一端接内部供电的输出端，另一端接地，用于对内部供电的输出电压进行分压；电阻R7和电阻R9的公共节点作为内部供电电压检测电路的输出端；若内部供电的输出电压高于3.42V，则输出电压大于0.6V，若内部供电电压不高于3.42V，则输出电压不大于0.6V。
进一步的，所述第一控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和三极管Q4；其中电阻R2为三极管Q4的限流电阻，电阻R2的两端分别连接比较电路的输出端和三级管Q4的基极；R3为分压电阻，其一端接三级管Q4的基极，另一端接地GND；三级管Q4的集电极作为第一控制电路的输出端与第一开关电路的控制端连接，电阻R1为三极管Q4输出的上拉电阻。当输入信号为高电平时，三极管Q4导通，输出低电平即开通信号至第一开关电路，当输入信号不为高电平时，三极管Q4不导通，输出高电平信号即关断信号至第一开关电路。
进一步的，所述第二控制电路包括电阻R6、电阻R8和NPN三极管Q8，三级管Q8的基极与所述内部供电电压检测电路的输出端连接；电阻R6、电阻R8串联后接三极管Q8的集电极，电阻R6的另一端接内部供电的输出端，电阻R6、电阻R8的公共节点接比较电路输出端且电阻R6、电阻R8的公共节点作为第二控制电路的输出端接第二开关电路控制端连接。
进一步的，所述第一开关电路包括反串联的PMOS管Q1和PMOS管Q2，PMOS管Q1和PMOS管Q2的栅极作为第一开关电路的控制端均与第一控制电路的输出端连接，PMOS管Q1的漏极作为第一开关电路的输入端与外部供电连接，PMOS管Q2的漏极作为第一开关电路的输出端与供电输出接口连接。
进一步的，所述第二开关电路包括反串联的PMOS管Q5和PMOS管Q6，PMOS管Q5和PMOS管Q6的栅极作为第二开关电路的控制端均与第二控制电路的输出端连接，PMOS管Q5的漏极作为第二开关电路的输入端与内部供电连接，PMOS管Q6的漏极作为第二开关电路的输出端与供电输出接口连接。
本发明的有益效果是：(1)本技术可以实现内部供电和外部供电的无缝切换，反复切换过程中，输出电压不会中断。
(2)本技术能够在内部供电电压不足时自动关断内部供电，以保护内部电源。
(3)本技术中外部供电与内部供电电压比较电路结构简单，成本低廉，工作稳定，可以自动适应不同的供电电源和电压，用于不同的供电电压时不需要调整参数。
(4)本技术可对未参与供电的电源完全关断，防止内部供电外漏。
(5)本技术在实现自动无缝切换的同时电压损耗和功率损耗都非常小，可用于大电流和大功率供电切换，不需要额外的散热设计。
(6)本技术未用到集成电路，具有成本低廉，结构简单，工作稳定的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种低损耗内外供电无缝切换电路原理示意图；
图2为本发明实施例提供的低损耗内外供电无缝切换电路拓扑图；
图3为传统二极管自动切换电路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、比较电路，2、内部供电电压检测电路，3、第一控制电路，4、第二控制电路，5、第一开关电路，6、第二开关电路，7、供电输出接口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
三极管是一种控制电流的半导体器件，其作用是把基极的微弱电流信号放大成较大的电流信号，其基极和集电极之间具有单向导电特性，导通电压差为0.6V。场效应管是电压控制器件，它通过栅极与源极电压差来控制漏极电流，其输入阻抗非常大，导通时漏极和源极之间的电阻非常小，适合用作低损耗开关。本发明实施例提供一种基于三极管与场效应管的低损耗内外供电无缝切换电路，原理图如图1所示。
具体的，本发明实施例提供一种低损耗内外供电无缝切换电路，包括比较电路1、内部供电电压检测电路2、第一控制电路3、第二控制电路4、与外部供电的的供电输出端电连接的第一开关电路5、与内部供电的供电输出端电连接的第二开关电路6，以及与所述第一开关电路和第二开关电路的输出端电连接的供电输出接口7。
外部供电与内部供电电压比较电路对供电进行比较，当外部供电比内部供电高0.6V以上时，输出高电平信号至第一控制电路和第二控制电路的1#输入口，否则不输出高电平信号至第一控制电路和第二控制电路的1#输入口；内部供电电压检测电路对内部供电电压进行检测，当内部供电电压高于3.42V时，输出高电平信号至第二控制电路的2#输入口，否则输出低电平信号至第二控制电路的2#输入口；第一控制电路对输入信号进行变换，当输入信号为高电平时，输出开通信号至第一开关电路，当输入信号不为高电平时，输出关断信号至第一开关电路；第二控制电路对两个输入信号进行变换，当1#输入信号为高电平时，输出关断信号至开关电路，当1#输入信号不为高电平信号且2#输入信号为高电平时，输出开通信号至第二开关电路，当1#输入信号不为高电平信号且2#输入信号为低电平时，输出关断信号至第二开关电路。
比较电路1由一个PNP型三极管和一个电阻组成，三极管的发射极连接外部供电，三极管的基极连接电阻的一端，电阻的另一端连接内部供电，三极管的集电极作为输出。当三极管发射极电压不基极电压高0.6V以上，即外部供电比内部供电高0.6V以上时，三极管导通，三极管集电极输出高电平，否则三极管不导通，三极管集电极不输出高电平。
所述内部供电电压检测电路包括电阻R7和电阻R9，电阻R7和电阻R9串联后一端接内部供电的输出端，另一端接地，用于对内部供电的输出电压进行分压；电阻R7和电阻R9的公共节点作为内部供电电压检测电路的输出端；若内部供电的输出电压高于3.42V，则输出电压大于0.6V，若内部供电电压不高于3.42V，则输出电压不大于0.6V。
所述第一控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和三极管Q4；其中电阻R2为三极管Q4的限流电阻，电阻R2的两端分别连接比较电路的输出端和三级管Q4的基极；R3为分压电阻，其一端接三级管Q4的基极，另一端接地GND，用于提高Q4的导通电压，防止线路或电磁干扰导致误触发；三级管Q4的集电极作为第一控制电路的输出端与第一开关电路的控制端连接，电阻R1为三极管Q4输出的上拉电阻。当输入信号为高电平时，三极管Q4导通，输出低电平即开通信号至第一开关电路，当输入信号不为高电平时，三极管Q4不导通，输出高电平信号即关断信号至第一开关电路。
所述第二控制电路包括电阻R6、电阻R8和NPN三极管Q8，三级管Q8的基极与所述内部供电电压检测电路的输出端连接；电阻R6、电阻R8串联后接三极管Q8的集电极，电阻R6的另一端接内部供电的输出端，电阻R6、电阻R8的公共节点接比较电路输出端且电阻R6、电阻R8的公共节点作为第二控制电路的输出端接第二开关电路控制端连接。R6是输出上拉电阻，R8是输出下拉电阻，Q8对下拉有效性进行控制。当1#输入信号为高电平时，由于该信号内阻低，输出能力强，不论1#输入信号是任何状态，都输出高电平即关断信号至第二开关电路，当1#输入信号不为高电平信号且2#输入信号为高电平时，Q8导通，下拉有效，由于下拉电阻R8比上拉电阻R6阻值小很多，下拉能力更强，输出低电平即开通信号至第二开关电路，当1#输入信号不为高电平信号且2#输入信号为低电平时，Q8不导通，下拉无效，输出高电平即关断信号至第二开关电路。
所述第一开关电路和第二开关电路均由两个反串联的PMOS管构成。
其中，第一开关电路包括反串联的PMOS管Q1和PMOS管Q2，PMOS管Q1和PMOS管Q2的栅极作为第一开关电路的控制端均与第一控制电路的输出端连接，PMOS管Q1的漏极作为第一开关电路的输入端与外部供电连接，PMOS管Q2的漏极作为第一开关电路的输出端与供电输出接口连接。
第二开关电路包括反串联的PMOS管Q5和PMOS管Q6，PMOS管Q5和PMOS管Q6的栅极作为第二开关电路的控制端均与第二控制电路的输出端连接，PMOS管Q5的漏极作为第二开关电路的输入端与内部供电连接，PMOS管Q6的漏极作为第二开关电路的输出端与供电输出接口连接。
因为场效应管中寄生二极管的存在，单个场效应管只能实现单向关断，所以使用两个反串联二级管共同实现双向关断。场效应管导通阻抗非常小，一般只有几毫欧姆，导通时的电压损耗和功率损耗都非常小，可以适用于大电流大功率的应用，且不需要额外的散热设计。
(1)本技术可以实现内部供电和外部供电的无缝切换，反复切换过程中，输出电压不会中断。
(2)本技术能够在内部供电电压不足时自动关断内部供电，以保护内部电源。
(3)本技术中外部供电与内部供电电压比较电路结构简单，成本低廉，工作稳定，可以自动适应不同的供电电源和电压，用于不同的供电电压时不需要调整参数。
(4)本技术可对未参与供电的电源完全关断，防止内部供电外漏。
(5)本技术在实现自动无缝切换的同时电压损耗和功率损耗都非常小，可用于大电流和大功率供电切换，不需要额外的散热设计。
(6)本技术未用到集成电路，具有成本低廉，结构简单，工作稳定的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低损耗内外供电无缝切换电路，其特征在于，包括比较电路、内部供电电压检测电路、第一控制电路、第二控制电路、与外部供电的供电输出端电连接的第一开关电路、与内部供电的供电输出端电连接的第二开关电路，以及与所述第一开关电路和第二开关电路的输出端电连接的供电输出接口；
所述外部供电以及内部供电供电输出端均与所述比较电路的输入端电连接；所述比较电路用于比较外部供电以及内部供电的供电电压；
所述比较电路的输出端分别与所述第一控制电路和第二控制电路的输入端电连接；
所述内部供电电压检测电路的输入端与所述内部供电的供电输出端电连接，用于检测内部供电的输出电压；所述内部供电电压检测电路的输出端与所述第二控制电路的输入端电连接；
所述第一控制电路的输出端与第一开关电路的控制端电连接，用于在外部供电高于内部供电的供电电压时，导通第一开关电路，供电输出接口输出外部供电电压，在外部电压低于内部供电的供电电压时，完全关断第一开关电路，防止供电输出接口的电能流入外部供电回路；
所述第二控制电路的输出端与第二开关电路的控制端电连接，用于在外部供电小于内部供电的供电电压且内部供电电压高于预设阈值时，导通第二开关电路，供电输出接口输出内部供电电压，在外部电压高于内部供电的供电电压时，完全关断第二开关电路，防止供电输出接口的电能流入内部供电电源。
2.根据权利要求1所述的低损耗内外供电无缝切换电路，其特征在于，所述比较电路包括一个PNP型三极管Q3和一个电阻R4；三极管Q3的发射极连接外部供电，三极管Q3的基极通过电阻R4连接内部供电，三极管的集电极作为输出与所述第一控制电路和第二控制电路的输入端电连接；所述外部供电比内部供电的供电电压高0.6V以上，即当三极管发射极电压比基极电压高0.6V以上时，三极管Q3导通。
3.根据权利要求1所述的低损耗内外供电无缝切换电路，其特征在于，所述内部供电电压检测电路包括电阻R7和电阻R9，电阻R7和电阻R9串联后一端接内部供电的输出端，另一端接地，用于对内部供电的输出电压进行分压；电阻R7和电阻R9的公共节点作为内部供电电压检测电路的输出端；若内部供电的输出电压高于3.42V，则输出电压大于0.6V，若内部供电电压不高于3.42V，则输出电压不大于0.6V。
4.根据权利要求1所述的低损耗内外供电无缝切换电路，其特征在于，所述第一控制电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和三极管Q4；其中电阻R2为三极管Q4的限流电阻，电阻R2的两端分别连接比较电路的输出端和三级管Q4的基极；R3为分压电阻，其一端接三级管Q4的基极，另一端接地GND；三级管Q4的集电极作为第一控制电路的输出端与第一开关电路的控制端连接，电阻R1为三极管Q4输出的上拉电阻。
5.根据权利要求1所述的低损耗内外供电无缝切换电路，其特征在于，所述第二控制电路包括电阻R6、电阻R8和NPN三极管Q8，三级管Q8的基极与所述内部供电电压检测电路的输出端连接；电阻R6、电阻R8串联后接三极管Q8的集电极，电阻R6的另一端接内部供电的输出端，电阻R6、电阻R8的公共节点接比较电路输出端且电阻R6、电阻R8的公共节点作为第二控制电路的输出端接第二开关电路控制端连接。
6.根据权利要求1所述的低损耗内外供电无缝切换电路，其特征在于，所述第一开关电路包括反串联的PMOS管Q1和PMOS管Q2，PMOS管Q1和PMOS管Q2的栅极作为第一开关电路的控制端均与第一控制电路的输出端连接，PMOS管Q1的漏极作为第一开关电路的输入端与外部供电连接，PMOS管Q2的漏极作为第一开关电路的输出端与供电输出接口连接。
7.根据权利要求1所述的低损耗内外供电无缝切换电路，其特征在于，所述第二开关电路包括反串联的PMOS管Q5和PMOS管Q6，PMOS管Q5和PMOS管Q6的栅极作为第二开关电路的控制端均与第二控制电路的输出端连接，PMOS管Q5的漏极作为第二开关电路的输入端与内部供电连接，PMOS管Q6的漏极作为第二开关电路的输出端与供电输出接口连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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