一種電源自切換的穩(wěn)壓電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電源自切換的穩(wěn)壓電路，包括穩(wěn)壓單元部分及電源切換單元部分，外部電源電壓輸入端接入穩(wěn)壓單元部分，穩(wěn)壓單元部分經(jīng)由電源切換單元部分連接電源電壓輸出端，同時(shí)，電源切換單元部分還連接后備電源正極輸入端。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用分立元器件設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，使得設(shè)計(jì)更加靈活，選擇合適的MOSFET，可以設(shè)計(jì)高輸入電壓的穩(wěn)壓電路，如8～60V輸入電壓的穩(wěn)壓；同時(shí)MOSFET具有更高的效率，同等體積可以設(shè)計(jì)更大輸出電流的穩(wěn)壓電路。
【專利說明】一種電源自切換的穩(wěn)壓電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種支持外部直流與后備電池供應(yīng)自動(dòng)切換的穩(wěn)壓電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在低功耗儀表設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常使用3.6V L1-S0CL2 一次性鋰電池作為儀表停電后的后備電源給RTC、MCU或LCD等低功耗電路供電。在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)切換電路用于外部直流供電停電或上電后的電源供應(yīng)選擇，常規(guī)的做法如圖1所示，采用低壓差線性穩(wěn)壓器Ul與二極管切換方式，此切換電路采用二極管隔離的方式，必須保證外部直流電源電壓大于電池電壓才能保證正確切換。
[0003]當(dāng)穩(wěn)壓單元輸出5V時(shí)，電路能很好的保證切換準(zhǔn)確。但隨著集成電路采用更低功耗更低成本的工藝，越來越多的芯片的最高工作電壓限制在3.6V，則要求穩(wěn)壓單元輸出不高于3.6V，另外一方面L1-S0CL2 —次性鋰電池在滿容量的情況，其空載或者低載時(shí)的電壓往往會(huì)略微高于3.6V。如果仍然采用二極管隔離的方式，則其改進(jìn)型如圖2，必須在電池回路上串更多的二極管。顯然這樣會(huì)造成更大的二極管壓降，電池容量的利用率進(jìn)一步下降。除此之外，采用二極管隔離，當(dāng)負(fù)載大幅度變化時(shí)，二極管的管壓降也會(huì)有很大的變化，可達(dá)0.3?0.7V左右，兩個(gè)二極管在負(fù)載電流較大時(shí)，出現(xiàn)電池供電回路上壓降過大，輸出電壓過低的現(xiàn)象。顯然當(dāng)外部直流電源供電時(shí)，若設(shè)計(jì)匹配在如ImA負(fù)載時(shí)給集成電路的電壓為3.6V，則當(dāng)負(fù)載瞬間變化到50mA時(shí)，此時(shí)外部供應(yīng)電壓由于管壓降可能變?yōu)?.2V甚至更低，此時(shí)電池可能產(chǎn)生幾百uA的損耗，長此電池壽命就會(huì)低于設(shè)計(jì)預(yù)期。
[0004]總結(jié)二極管隔離的弊端:
[0005]I)由于二極管管壓降，電池利用容量變小；
[0006]2) 二極管在負(fù)載電流變化時(shí)，其管壓降變化造成輸出電壓不穩(wěn)，輕載電壓過大，重載電壓過低；
[0007]3)需要犧牲電池可利用電池容量以滿足3V系統(tǒng)的切換需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一個(gè)低成本穩(wěn)壓電源，以及解決儀表后備電池與外部直流輸入電源的自動(dòng)切換。
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種電源自切換的穩(wěn)壓電路，包括穩(wěn)壓單元部分及電源切換單元部分，外部電源電壓輸入端接入穩(wěn)壓單元部分，穩(wěn)壓單元部分經(jīng)由電源切換單元部分連接電源電壓輸出端，同時(shí)，電源切換單元部分還連接后備電源正極輸入端，其特征在于:
[0010]穩(wěn)壓單元部分包括第一電阻、第一 NMOS管、第二電阻、第一電容、第二 NMOS管、第三電阻、第四電阻及第一 PNP三極管，外部電源電壓輸入端經(jīng)由第一電阻連接第二 NMOS管漏極，第一電阻同時(shí)跨接在第一 NMOS管漏極與柵極之間，第一 NMOS管漏極亦連接外部電源電壓輸入端，第一 NMOS管源極經(jīng)過并聯(lián)的第二電阻及第一電容與第二 NMOS柵極相連，第二NMOS管柵極經(jīng)第三電阻接地，第二 NMOS管源極經(jīng)第四電阻接地，同時(shí)第二 NMOS管源極接第一 PNP三極管射極，第一 PNP三極管基極與集電極接地；
[0011]電源切換單元部包括第一 PMOS管、第三PMOS管、第二 PMOS管、第一二極管、第二穩(wěn)壓管及第五電阻，第一 NMOS管源極同時(shí)與第一 PMOS管漏極、第三PMOS管柵極及第二PMOS管柵極相連，第一 PMOS管柵極經(jīng)第五電阻接地，同時(shí)與第一二極管陰極相連，第一二極管陽極與第三PMOS管漏極及第二 PMOS管漏極相連，第二穩(wěn)壓管陰極接第一 PMOS管漏極，第二穩(wěn)壓管陽極接第一 PMOS管柵極，后備電源負(fù)極接地，后備電源正極輸入端與第二PMOS管源極相連，第二 PMOS管漏極與第三PMOS管漏極相連，第三PMOS管源極與第一 PMOS管源極相接后與電源電壓輸出端相連。
[0012]優(yōu)選地，所述穩(wěn)壓單元部分還包括第一穩(wěn)壓管，所述第一 NMOS管源極與第一穩(wěn)壓管陰極相連，第一穩(wěn)壓管陽極經(jīng)過所述并聯(lián)的第二電阻及第一電容與所述第二 NMOS柵極相連。
[0013]優(yōu)選地，所述第一 NMOS管及所述第二 NMOS管或選擇相同的型號(hào)或采用雙NMOS復(fù)合管。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用分立元器件設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，使得設(shè)計(jì)更加靈活，選擇合適的MOSFET，可以設(shè)計(jì)高輸入電壓的穩(wěn)壓電路，如8?60V輸入電壓的穩(wěn)壓；同時(shí)MOSFET具有更高的效率，同等體積可以設(shè)計(jì)更大輸出電流的穩(wěn)壓電路。
[0015]使用第一 NMOS管及第二 NMOS管構(gòu)建穩(wěn)壓電路，因?yàn)槠溥x擇相同的型號(hào)，或者可以采用雙NMOS復(fù)合管，其對(duì)溫度的響應(yīng)一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)壓主開關(guān)第一 NMOS管的溫度補(bǔ)償。
[0016]由第一 PMOS管、第二 PMOS管及第三PMOS管構(gòu)成切換電路，因?yàn)镻MOS管的導(dǎo)通壓降比二極管更低，所以有更高的切換效率。同時(shí)當(dāng)外部輸入直流穩(wěn)壓輸出電壓比電池電壓略低的情況，工程設(shè)計(jì)的幅度在PMOS的柵極門限電壓的一半VT0/2，通常在0.25V左右。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為二極管隔離穩(wěn)壓電路圖；
[0018]圖2為改進(jìn)型二極管隔離電路圖；
[0019]圖3為本發(fā)明提供的一種具有電源自切換功能的穩(wěn)壓電路電路圖；
[0020]圖4為N-MOSFET柵極門限電壓溫度特性的示例圖；
[0021]圖5為使用本發(fā)明原理設(shè)計(jì)的應(yīng)用圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0023]結(jié)合圖3及圖5應(yīng)用說明，本發(fā)明提供的一種電源自切換的穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓電路單元與切換單元組成。仿真實(shí)例中自外部電源電壓輸入端Vin_DC輸入的電壓DC INPUT為外部直流電源輸入，Rsoure用于改變外部直流電源輸入單元的直流電壓大小，此電源單元可輸出O?60V的直流電壓。SWl為開關(guān)，用于仿真控制外部直流電源的開關(guān)。Rloadl與Rload2為仿真電路模擬輕載與重載的負(fù)載，Sffload為兩種負(fù)載的切換開關(guān)。
[0024]外部直流輸入經(jīng)過SWl接第一 NMOS管Ql漏極，第一電阻Rl跨接在第一 NMOS管Ql漏柵極之間，第一 NMOS管Ql柵極接第二 NMOS管Q2漏極，第一 NMOS管Ql源極為穩(wěn)壓部分的輸出端，穩(wěn)壓部分輸出端接第一穩(wěn)壓管Dl陰極，第一穩(wěn)壓管Dl陽極經(jīng)過第二電阻R2連到第二 NMOS管Q2柵極，第二 NMOS管Q2柵極再經(jīng)過第三電阻R3接地，第一電容Cl并在第二電阻R2兩端，第二 NMOS管Q2源極經(jīng)過第四電阻R4接地，同時(shí)第二 NMOS管Q2源極接第一 PNP三極管Q3發(fā)射極，第一 PNP三極管Q3集電極與基極接地。
[0025]穩(wěn)壓部分輸出，即第一 NMOS管Ql的源極，與第一 PMOS管Q4的漏極、第三PMOS管Q5及第二 PMOS管Q6的柵極相連，第三PMOS管Q5漏極與第二 PMOS管Q6漏極相連，并接第一二極管D3陽極，第一二極管D3陰極接第一 PMOS管Q4柵極，第二穩(wěn)壓管D2陽極接第一 PMOS管Q4柵極，第二穩(wěn)壓管D2陰極接第一 PMOS管Q4的源極，第一 PMOS管Q4柵極經(jīng)過第五電阻R5接地，第二 PMOS管Q6源極接后備電源(本實(shí)施例中為鋰電池)正極輸入端Battery正極，第一 PMOS管Q4與第三PMOS管Q5的源極相連，其連接點(diǎn)為切換部分單元的電源電壓輸出端Vout。
[0026]直流穩(wěn)壓電路使用第一 NMOS管Q1N-M0SFET管作穩(wěn)壓電路的開關(guān)元器件實(shí)現(xiàn)，通過第一電阻Rl輸入直流電源給第一 NMOS管Ql柵極充電，使得第一 NMOS管Ql柵極電壓上升。當(dāng)Vgs大于柵極門限電壓時(shí)開通，否則關(guān)閉，則Vs_Ql = Vg_Ql-Vgs_Ql，第一 NMOS管Ql源極電壓跟隨柵極電壓，逐步升高。為了使得第一 NMOS管Ql源極電壓穩(wěn)定在需要的電壓，在第一 NMOS管Ql漏極與柵極之間建立電壓反饋，第二 NMOS管Q2柵極采樣第一 NMOS管Ql源極電壓控制第二 NMOS管Q2的工作狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝?NMOS管Ql源極電壓到達(dá)設(shè)計(jì)電壓時(shí)，第二 NMOS管Q2開始導(dǎo)通，第一 NMOS管Ql柵極電壓拉低，第一 NMOS管Ql開始斷開，第
一NMOS管Ql源極電壓下降，當(dāng)?shù)谝?NMOS管Ql源極電壓下降到設(shè)計(jì)電壓之下時(shí)，第二 NMOS管Q2開始斷開，第一 NMOS管Ql柵極電壓再次上升，第一 NMOS管Ql源極電壓回升。
[0027]這里第二 NMOS管Q2使用與第一 NMOS管Ql相同特性的NMOS管，這樣第二 NMOS管Q2可以為第一 NMOS管Ql柵極門限電壓做溫度補(bǔ)償。其補(bǔ)償原理描述如:圖4為一款常見N-M0SFET2N7002的柵極門限電壓溫度特性，可知其為線性關(guān)系VT0=_kt+b，VTO為柵極門限電壓，t為溫度，k、t為系數(shù)，柵極門限電壓隨溫度變化關(guān)系為Λ VTO = -k* Λ t，則第一 NMOS管Ql的柵極門限電壓因溫度升高降低時(shí)，Vs_Ql電壓隨溫度上升升高，同時(shí)第二 NMOS管Q2的柵極門限電壓也因溫度升高降低，拉低第一 NMOS管Ql柵極電壓使得第一 NMOS管Ql源極電壓下降，反之溫度降低同理。
[0028]反饋回路中采樣方式為線性采樣，為了使得穩(wěn)壓電路具有低壓差特性，我們選擇低柵極門限電壓的N-M0SFET，因?yàn)檫@個(gè)門限電壓較小，電阻分壓采樣電壓比較小?？紤]器件的離散型，采樣電壓不宜過小，因此人為抬高采樣電壓第二 NMOS管Q2柵極電壓，則在第二NMOS管Q2的源極串聯(lián)一基準(zhǔn)電壓到地，這里使用PNP三極管基射壓降作為基準(zhǔn)，第四電阻R4給三極管提供電流旁路。第一穩(wěn)壓管Dl可以加速穩(wěn)壓起始過程，保證在第一 NMOS管Ql源極電壓低于VZl時(shí)，第二 NMOS管Q2不會(huì)動(dòng)作，同時(shí)第一穩(wěn)壓管Dl的加入，可以使得第二電阻R2與第三電阻R3選擇接近的阻值，使分壓比例有更好的溫度特性。如果使電路變得更簡潔，這里可以省略第一穩(wěn)壓管Dl直接短路即可，再調(diào)整第二電阻R2與第三電阻R3的阻值即可。第一電容Cl為反饋補(bǔ)償電容。
[0029]電源自動(dòng)切換電路三個(gè)P-MOSFET管實(shí)現(xiàn)。當(dāng)外部直流電源有電，且穩(wěn)壓電路輸出端(第一 NMOS管Ql源極)電壓大于電池電壓與第二 PMOS管Q6柵極門限電壓之差時(shí)，第
二PMOS管Q6斷開，第二 PMOS管Q6漏極電壓不會(huì)經(jīng)過第一二極管D3 二極管給第一 PMOS管Q4柵極電壓充電，第一 PMOS管Q4柵極電壓因第五電阻R5接地，第一 PMOS管Q4柵源間電壓幅值必定大于第一 PMOS管Q4的柵極門限電壓，則第一 PMOS管Q4導(dǎo)通，即在外部直流電源有電的情況下第一 PMOS管Q4導(dǎo)通給負(fù)載供電,而電池后備電源因第二 PMOS管Q6斷開不會(huì)給負(fù)載供電；一旦外部直流電源掉電，第一 NMOS管Ql源極電壓開始下降。當(dāng)?shù)谝籔MOS管Q4未斷開前，第三PMOS管Q5源極電壓始終不小于第三PMOS管Q5柵極電壓，第三PMOS管Q5保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，此時(shí)電池后備電源通過第三PMOS管Q5的體二極管與負(fù)載隔離，負(fù)載電壓大于電池電壓前不會(huì)產(chǎn)生電池消耗。隨著第一 PMOS管Q4柵極電壓逐步上升，第一 PMOS管Q4源極電壓因負(fù)載消耗逐步下降，因?yàn)榈谖咫娮鑂5的阻值設(shè)計(jì)時(shí)比電路最小負(fù)載小，因此第一二極管D3的管壓降比第三PMOS管Q5體二極管的管壓降小，因此當(dāng)負(fù)載電壓消耗到低于電池電壓，電池電壓通過第三PMOS管Q5體二極管給負(fù)載供電時(shí)，負(fù)載電壓肯定小于第一 PMOS管Q4柵極電壓，因此電池供電時(shí)保證第一 PMOS管Q4斷開,負(fù)載供電完全轉(zhuǎn)到電池后備電源供電；當(dāng)外部直流供電恢復(fù)，第二 PMOS管Q6柵極電壓上升，第二 PMOS管Q6達(dá)到斷開條件時(shí)，第二 PMOS管Q6斷開，第三PMOS管Q5亦斷開，第一 PMOS管Q4柵極無充電電流，且第五電阻R5接地，第一 PMOS管Q4導(dǎo)通，負(fù)載切換為外部電源供電。
【權(quán)利要求】
1.一種電源自切換的穩(wěn)壓電路，包括穩(wěn)壓單元部分及電源切換單元部分，外部電源電壓輸入端(Vin_DC)接入穩(wěn)壓單元部分，穩(wěn)壓單元部分經(jīng)由電源切換單元部分連接電源電壓輸出端(Vout)，同時(shí)，電源切換單元部分還連接后備電源正極輸入端(Battery)，其特征在于: 穩(wěn)壓單兀部分包括第一電阻(Rl)、第一 NMOS管(Ql)、第一穩(wěn)壓管(Dl)、第二電阻(R2)、第二 NMOS管(Q2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)及第一 PNP三極管(Q3)，外部電源電壓輸入端(Vin_DC)經(jīng)由第一電阻(Rl)連接第二 NMOS管(Q2)漏極，第一電阻(Rl)同時(shí)跨接在第一 NMOS管(Ql)漏極與柵極之間，第一 NMOS管(Ql)漏極亦連接外部電源電壓輸入端(Vin_DC)，第一 NMOS管(Ql)源極經(jīng)過并聯(lián)的第二電阻(R2)及第一電容(Cl)與第二NMOS (Q2)柵極相連，第二 NMOS管(Q2)柵極經(jīng)第三電阻(R3)接地，第二 NMOS管(Q2)源極經(jīng)第四電阻(R4)接地，同時(shí)第二 NMOS管(Q2)源極接第一 PNP三極管(Q3)射極，第一 PNP三極管(Q3)基極與集電極接地； 電源切換單元部包括第一 PMOS管(Q4)、第三PMOS管(Q5)、第二 PMOS管(Q6)、第一二極管(D3)、第二穩(wěn)壓管(D2)及第五電阻(R5)，第一 NMOS管(Ql)源極同時(shí)與第一 PMOS管(Q4)漏極、第三PMOS管(Q5)柵極及第二 PMOS管(Q6)柵極相連，第一 PMOS管(Q4)柵極經(jīng)第五電阻(R5)接地，同時(shí)與第一二極管(D3)陰極相連，第一二極管(D3)陽極與第三PMOS管(Q5)漏極及第二 PMOS管(Q6)漏極相連，第二穩(wěn)壓管(D2)陰極接第一 PMOS管(Q4)漏極，第二穩(wěn)壓管(D2)陽極接第一 PMOS管(Q4)柵極，后備電源負(fù)極接地，后備電源正極輸入端(Battery)與第二 PMOS管(Q6)源極相連，第二 PMOS管(Q6)漏極與第三PMOS管(Q5)漏極相連，第三PMOS管(Q5)源極與第一 PMOS管(Q4)源極相接后與電源電壓輸出端(Vout)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種電源自切換的穩(wěn)壓電路，其特征在于，所述穩(wěn)壓單元部分還包括第一穩(wěn)壓管(Dl) ，所述第一 NMOS管(Ql)源極與第一穩(wěn)壓管(Dl)陰極相連，第一穩(wěn)壓管(Dl)陽極經(jīng)過所述并聯(lián)的第二電阻(R2)及第一電容(Cl)與所述第二 NM0S(Q2)柵極相連。
3.如權(quán)利要求1所述的一種電源自切換的穩(wěn)壓電路，其特征在于，所述第一NMOS管(Ql)及所述第二 NMOS管(Q2)或選擇相同的型號(hào)或采用雙NMOS復(fù)合管。
【文檔編號(hào)】H02J9/06GK104022647SQ201410290540
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】王麗春 申請(qǐng)人:上海協(xié)霖電子有限公司