CN219875198U - 一种低功耗可热插拔的电源切换电路 - Google Patents

一种低功耗可热插拔的电源切换电路 Download PDF

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CN219875198U CN202321336103.6U CN202321336103U CN219875198U CN 219875198 U CN219875198 U CN 219875198U CN 202321336103 U CN202321336103 U CN 202321336103U CN 219875198 U CN219875198 U CN 219875198U
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张欢欢
王益栗
罗高锋
许力
陈毅
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Abstract

本申请公开了一种低功耗可热插拔的电源切换电路，涉及通用设备技术领域。具体实现方案为：包括，供电模块、保护模块以及电源切换模块；所述供电模块包括电源输入端和USB供电接入端，所述电源输入端和所述USB供电接入端分别连接有所述保护模块，所述电源切换模块一端通过所述保护模块与所述电源输入端连接，所述电源切换模块另一端与所述USB供电接入端连接。本申请采用三极管、二极管以及MOS管等分立器件，实现电源的无缝切换，在负载正常工作的情况下，可以插拔USB接口，不会导致整机开关机，同时，该电路还具备防反接、防过流、防过压等功能。

Description

一种低功耗可热插拔的电源切换电路
技术领域
本申请涉及通用设备技术领域，尤其涉及一种低功耗可热插拔的电源切换电路。
背景技术
在大部分现有的方案或产品中，一般采用电池管理芯片内置的电流路径管理功能实现，该方案仅能用于可充电电池的电源管理系统中，无法用于碱性电池等不可充电电池提供供电的电路，且方案的物料成本相对较高。如果采用传统的分立元件搭建的电源路径管理电路，在切换供电源路径时，容易出现掉电现象，虽然掉电时间很短，但还是有概率会使后续的系统出现复位的情况。
发明内容
基于此，本申请为解决如何实现外置USB供电与内置电池供电的无缝自动切换的问题，提供了一种低功耗可热插拔的电源切换电路。
本申请提供了一种低功耗可热插拔的电源切换电路，包括：
供电模块、保护模块以及电源切换模块；
所述供电模块包括电源输入端和USB供电接入端，所述电源输入端和所述USB供电接入端分别连接有所述保护模块，所述电源切换模块一端通过所述保护模块与所述电源输入端连接，所述电源切换模块另一端与所述USB供电接入端连接。
所述保护模块包括快熔断保险丝F1和TVS管D1，所述快熔断保险丝F1一端电源输入端连接，所述快熔断保险丝F1另一端与所述TVS管D1一端连接，所述TVS管D1另一端接地。
所述保护模块还包括过流保险丝F2和防反接二极管D2，所述防反接二极管D2一端与USB供电接入端连接，所述防反接二极管D2另一端与所述过流保险丝F2一端连接，所述过流保险丝F2另一端连接VCC。
所述电源切换模块包括PMOS管Q1、PNP三极管Q2和NPN三极管Q3，所述PMOS管Q1的源极和所述PNP三极管Q2的发射极连接，所述PNP三极管Q2的基极和所述NPN三极管Q3的集电极连接。
所述PMOS管Q1的源极通过快熔断保险丝F1与所述电源输入端连接，所述PMOS管Q1的栅极与第四电阻R4的一端连接，所述第四电阻R4的另一端接地，所述PMOS管Q1的漏极连接VCC。
所述PNP三极管Q2的发射极通过快熔断保险丝F1与所述电源输入端连接，所述PNP三极管Q2的集电极与所述PMOS管Q1的栅极连接在第四电阻R4的一端，所述PNP三极管Q2的基极连接在第二电阻R2的一端。
所述NPN三极管Q3的基极通过第三电阻R3与USB供电接入端连接，所述NPN三极管Q3的发射极连接在所述第四电阻R4的另一端并接地，所述NPN三极管Q3的集电极连接在所述第二电阻R2的另一端。
电阻R1的一端与PMOS管Q1的源极和快熔断保险丝F1之间的连线交于一点，电阻R1的另一端与NPN三极管Q3的集电极和第二电阻R2之间的连线交于一点。
第五电阻R5一端于NPN三极管Q3的基极和第三电阻R3之间的连线交于一点，第五电阻R5的另一端接地。
第一电容C1一端与PMOS管Q1的漏极和VCC之间的连线交于一点，第一电容C1另一端接地，第二电容C2并联在所述第一电容C1两端。
有益效果：本申请采用三极管、二极管以及MOS管等分立器件，实现电源的无缝切换，在负载正常工作的情况下，可以插拔USB接口，不会导致整机开关机，同时，该电路还具备防反接、防过流、防过压等功能。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图用于更好地理解本方案，不构成对本申请的限定。其中：
图1是根据本申请提供的电路图；
图2是根据本申请提供的USB电源插入动作时序图；
图3是根据本申请提供的USB电源拔出动作时序图。
具体实施方式
以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
本申请提供了一种低功耗可热插拔的电源切换电路，包括：
供电模块100、保护模块200以及电源切换模块300；
供电模块100包括电源输入端和USB供电接入端，电源输入端和USB供电接入端分别连接有保护模块200，电源切换模块300一端通过保护模块200与电源输入端连接，电源切换模块300另一端与USB供电接入端连接。
优选的，如图1所示，J1接口连接电池，为主要电源输入端；网络号USB5.0V为USB供电接入端；网络号VCC为输出端，用于连接负载。在USB电源没有接入时，负载供电由J1口即电池电源提供；在USB电源接入时，负载供电由USB电源提供。
进一步的，当插着USB电源时，由外置的USB电源供电，即USB5.0V对系统电源VCC供电；
当拔掉USB电源时，切换为由内置的电池供电，即VBAT对系统电源VCC供电；
当重新插入USB电源时，切换为由外置的USB电源供电，即USB5.0V对系统电源VCC供电。
保护模块200包括快熔断保险丝F1和TVS管D1，快熔断保险丝F1一端与电源输入端连接，快熔断保险丝F1另一端与TVS管D1一端连接，TVS管D1另一端接地。
保护模块200还包括过流保险丝F2和防反接二极管D2，防反接二极管D2一端与USB供电接入端连接，防反接二极管D2另一端与过流保险丝F2一端连接，过流保险丝F2另一端连接VCC。
电源切换模块300包括PMOS管Q1、PNP三极管Q2和NPN三极管Q3，PMOS管Q1的源极和PNP三极管Q2的发射极连接，PNP三极管Q2的基极和NPN三极管Q3的集电极连接。
PMOS管Q1的源极通过快熔断保险丝F1与电源输入端连接，PMOS管Q1的栅极与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端接地，PMOS管Q1的漏极连接VCC。
PNP三极管Q2的发射极通过快熔断保险丝F1与电源输入端连接，PNP三极管Q2的集电极与PMOS管Q1的栅极连接在第四电阻R4的一端，PNP三极管Q2的基极连接在第二电阻R2的一端。
NPN三极管Q3的基极通过第三电阻R3与USB供电接入端连接，NPN三极管Q3的发射极连接在第四电阻R4的另一端并接地，NPN三极管Q3的集电极连接在第二电阻R2的另一端。
电阻R1的一端与PMOS管Q1的源极和快熔断保险丝F1之间的连线交于一点，电阻R1的另一端与NPN三极管Q3的集电极和第二电阻R2之间的连线交于一点。
第五电阻R5一端于NPN三极管Q3的基极和第三电阻R3之间的连线交于一点，第五电阻R5的另一端接地。
第一电容C1一端与PMOS管Q1的漏极和VCC之间的连线交于一点，第一电容C1另一端接地，第二电容C2并联在第一电容C1两端。
更进一步的，当外置USB电源没有接入时，NPN三极管Q3的基极电压为0V，NPN三极管Q3的集电极电压VCE为电压为VBAT，即Q2基极电压为VBAT，此时三极管Q2截止，PMOS管Q1栅极电压由R4下拉为0V，Q1的源极电压为VBAT，可得Vgs<0,PMOS管Q1导通。
当外置USB电源接入时，由防反接二极管D2作为防反接保护器件为电路提供防反接功能。由于NPN三极管Q3的结构，使NPN三极管Q3的基极与发射极等效为一个二极管，USB电源与NPN三极管Q3的基极直连时，会使USB电源电压被钳位在1.2V。此时IBE过大，会导致NPN三极管Q3损坏，故添加第三电阻R3作为限流电阻，使通过查阅三极管的手册可得：放大倍数β为400，即此时ICE最大为320mA。由于PNP三极管Q2的结构，使PNP三极管Q2的集电极与基极等效为一个二极管，如果此时PNP三极管Q2的基极与NPN三极管Q3的集电极直连，会使PNP三极管Q2的IEB接近320mA，会造成PNP三极管Q2的损坏，故添加第二电阻R2作为限流电阻。这个状态下NPN三极管Q3的基极电压为1.2V，由于第一电阻R1和第二电阻R2的存在，NPN三极管Q3的IBE无法达到320mA，此时NPN三极管Q3的VCE约为0.6V，即NPN三极管Q3集电极为电压为0.6V，由此可得PNP三极管Q2基极电压约为0.6V。此时PNP三极管Q2导通VEC≈0.3V，在PNP三极管Q2的集电极增加第四电阻R4作为限流电阻，PMOS管Q1栅极电压为VBAT-0.3V，可得Vgs>0，PMOS管Q1截止，由USB电源通过防反接二极管D2和过流保险丝F2对系统进行供电。在VCC端对地并联第一电容C1和第二电容C2用以平滑电压的波动，同时使用不同类型和容值的电容对不同频率的谐波进行滤除。通过以上器件的组合应用，实现供电电源的切换。切换电路切换动作时序图如图2、3所示。
图2为USB电源插入动作时序图，当外置USB电源被拔掉时，NPN三极管Q3基极电压通过第五电阻R5下拉到0V，此时NPN三极管Q3截止，NPN三极管Q3集电极为电压通过第一电阻R1上拉到VBAT，即PNP三极管Q2基极电压为VBAT，此时PNP三极管Q2的VBE＝0，PNP三极管Q2截止，PMOS管Q1的栅极电压通过第四电阻R4下拉到0V，可得Vgs＝0-VBAT<0，PMOS管Q1导通，由电池通过保险丝F1对系统进行供电，同时由于防反接二极管D2的存在，系统电源VCC不会使NPN三极管Q3导通。在VCC端对地并联法拉电容用以平滑电压的波动，同时使用不同类型和不同容值的电容对不同频率的谐波进行滤除。通过以上器件的组合应用，实现供电电源的无缝切换。其中，虚线表示VCC电压值，实线表示USB供电。
在VBAT的输入端，由快熔断保险丝F1和TVS管D1组成的防反接、过流、过压保护电路。过流时电路由快熔断保险丝F1熔断对后续电路进行保护；过压时由TVS管D1将电压钳位在TVS管的钳位电压，对后续电路进行保护；反接时TVS管D1正向导通，导通电流巨大，从而熔断保险丝F1，将电源从电路上断开，实现防反接保护。
图3为USB电源拔出动作时序图，在USB电源热插拔过程中，常见的热插拔造成系统复位等故障多是由于USB电源热插拔时产生的电压尖峰和随之产生的浪涌电流造成。在本申请中，USB电源热插拔时产生的电压尖峰会通过PMOS管Q1的体二极管由TVS管D1进行钳位，且系统电源VCC仅在电池电源和USB供电之间切换，不会出现电源切换时的掉电现象，电压的波动通过法拉电容滤波使VCC的变化趋向平滑，通过后级最小系统的稳压系统，在最小系统正常工作的前提下，可以实现USB供电热插拔的功能。其中，虚线表示VCC电压值，实线表示USB供电。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于，包括：供电模块(100)、保护模块(200)以及电源切换模块(300)；
所述供电模块(100)包括电源输入端和USB供电接入端，所述电源输入端和所述USB供电接入端分别连接有所述保护模块(200)，所述电源切换模块(300)
一端通过所述保护模块(200)与所述电源输入端连接，所述电源切换模块(300)
另一端与所述USB供电接入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：
所述保护模块(200)包括快熔断保险丝F1和TVS管D1，所述快熔断保险丝F1一端电源输入端连接，所述快熔断保险丝F1另一端与所述TVS管D1一端连接，所述TVS管D1另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：
所述保护模块(200)还包括过流保险丝F2和防反接二极管D2，所述防反接二极管D2一端与USB供电接入端连接，所述防反接二极管D2另一端与所述过流保险丝F2一端连接，所述过流保险丝F2另一端连接VCC。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：所述电源切换模块(300)包括PMOS管Q1、PNP三极管Q2和NPN三极管Q3，所述PMOS管Q1的源极和所述PNP三极管Q2的发射极连接，所述PNP三极管Q2的基极和所述NPN三极管Q3的集电极连接。
5.根据权利要求4所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：所述PMOS管Q1的源极通过快熔断保险丝F1与所述电源输入端连接，所述PMOS管Q1的栅极与第四电阻R4的一端连接，所述第四电阻R4的另一端接地，所述PMOS管Q1的漏极连接VCC。
6.根据权利要求5所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：所述PNP三极管Q2的发射极通过快熔断保险丝F1与所述电源输入端连接，所述PNP三极管Q2的集电极与所述PMOS管Q1的栅极连接在第四电阻R4的一端，所述PNP三极管Q2的基极连接在第二电阻R2的一端。
7.根据权利要求6所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：所述NPN三极管Q3的基极通过第三电阻R3与USB供电接入端连接，所述NPN三极管Q3的发射极连接在所述第四电阻R4的另一端并接地，所述NPN三极管Q3的集电极连接在所述第二电阻R2的另一端。
8.根据权利要求7所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：电阻R1的一端与PMOS管Q1的源极和快熔断保险丝F1之间的连线交于一点，电阻R1的另一端与NPN三极管Q3的集电极和第二电阻R2之间的连线交于一点。
9.根据权利要求8所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：第五电阻R5一端于NPN三极管Q3的基极和第三电阻R3之间的连线交于一点，第五电阻R5的另一端接地。
10.根据权利要求9所述的一种低功耗可热插拔的电源切换电路，其特征在于：第一电容C1一端与PMOS管Q1的漏极和VCC之间的连线交于一点，第一电容C1另一端接地，第二电容C2并联在所述第一电容C1两端。
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