电子书阅读器内置锂电池供电自动切换电路
▲ 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。 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。 以其中的一款型号为“pywifi-esp32”的开发板举例，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：
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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。 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。
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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。 以其中的一款型号为“pywifi-esp32”的开发板举例，其电源部分的电路图如下：
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