2×AA/USB組合電源方法

出處：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2024-05-11 17:29:24 | 606 次閱讀

　　雖然內(nèi)置可充電鋰電池通常是當(dāng)今便攜式套件的最佳解決方案，但有時(shí)使用帶有外部電源選項(xiàng)（可能來(lái)自 USB 電源）的可更換電池仍然更合適。此 DI 展示了優(yōu)化此功能的方法。
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　　組合電源的常用方法是將它們并聯(lián)，每個(gè)電源串聯(lián)一個(gè)二極管。如果電壓匹配并且可以容忍由于二極管壓降而造成的有效電池容量的一些損失，那就沒(méi)問(wèn)題了。我們假設(shè)所討論的套件是小型手持式或可放入口袋的東西，可能使用像 PIC 這樣的微控制器，電池由兩節(jié) AA 電池組成，可選擇外部 5 V 電源，以及一個(gè)可產(chǎn)生 3.3 V 內(nèi)部電源軌。這里使用的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)向二極管會(huì)導(dǎo)致外部電源電壓不匹配，同時(shí)浪費(fèi) 10% 或 20% 的電池容量。
　　圖 1顯示了一種更好的實(shí)現(xiàn)方法。外部電源經(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)節(jié)以避免不匹配，而主動(dòng)開(kāi)關(guān)可最大限度地減少電池?fù)p耗。我在一次性和生產(chǎn)單位中都使用過(guò)這一方案，并且總是取得良好的效果。

　　圖 1外部電源的預(yù)調(diào)節(jié)與與電池串聯(lián)的幾乎無(wú)損的開(kāi)關(guān)相結(jié)合，從而最大限度地延長(zhǎng)了電池的使用壽命。
　　電池供電由 Q1 控制，Q1 是一個(gè)反向 p-MOSFET。U1 將任何輸入電壓降至 3.3V。在沒(méi)有外部電源的情況下，Q1 的柵極比其源極更負(fù)，因此它穩(wěn)定導(dǎo)通，并且（幾乎）在 C3 上出現(xiàn)完整的電池電壓，為升壓轉(zhuǎn)換器供電。Q2 的發(fā)射極-基極二極管阻止任何電流流回 U1。除了內(nèi)部漏極-源極或體二極管之外，MOSFET 的主要特性幾乎是對(duì)稱的，這允許這種反向操作。
　　當(dāng)存在外部電源時(shí)，Q1.G 將偏置至 3.3V，將其關(guān)閉并有效地?cái)嚅_(kāi)電池連接?，F(xiàn)在，Q2 被驅(qū)動(dòng)至飽和狀態(tài)，將 U1 的 3.3 V 輸出（減去 Q2 的 100–200 mV 飽和正向電壓）連接至升壓轉(zhuǎn)換器。（如圖所示，2N2222 的 V SAT比許多其他類型的要低。）請(qǐng)注意，Q2 的基極電流并沒(méi)有浪費(fèi)，而只是增加了升壓轉(zhuǎn)換器的供電電流。使用二極管隔離 U1 會(huì)產(chǎn)生更大的壓降，這可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題：新型優(yōu)質(zhì) AA 錳堿性 (MnAlk) 電池的卸載電壓可能遠(yuǎn)高于 1.6 V，并且如果 C3 兩端的電壓遠(yuǎn)高于低于 3 V，它們可以通過(guò) MOSFET 固有的漏極-源極或體二極管放電。這種安排避免了任何此類問(wèn)題。
　　反向 MOSFET 多年來(lái)一直用于提供電池反向保護(hù)，當(dāng)然這種保護(hù)是這些電路所固有的。如果 Q1 未完全導(dǎo)通，例如在外部電源斷開(kāi)后的幾微秒內(nèi)，體二極管還會(huì)為來(lái)自電池的電流提供輔助路徑。

　　圖 1 將 U1 顯示為 LM1117-3.3 或類似類型，但許多更現(xiàn)代的穩(wěn)壓器提供了更好的解決方案，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲈谖赐姇r(shí)顯示為開(kāi)路，而不是允許反向電流從其輸出流向接地。圖 2顯示了此實(shí)現(xiàn)。

　　圖 2使用更新的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)意味著不再需要 Q2。
　　現(xiàn)在調(diào)節(jié)器的輸出可以直接連接到 C3 和升壓轉(zhuǎn)換器。有些器件還具有內(nèi)部開(kāi)關(guān)，可以完全隔離輸出，因此可以省略 D1。原則上，此類穩(wěn)壓器可以直接饋入最終的 3.3mV 電源軌，但這實(shí)際上會(huì)使問(wèn)題變得復(fù)雜，因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器還需要防反向，并且本身可能需要關(guān)閉。當(dāng)存在外部電源時(shí)，R2 現(xiàn)在用于使 Q1 偏置關(guān)閉。
　　如果我們假設(shè)該套件使用微控制器，我們可以輕松監(jiān)控 PSU 的運(yùn)行。R5（純粹是為了安全起見(jiàn)）允許微控制器檢查是否存在外部電源，而 R3 和 R4 則允許其準(zhǔn)確測(cè)量電池電壓。它們的值是在假設(shè)我們使用 8 位 A-D 轉(zhuǎn)換和 3.3 V 參考電壓的情況下計(jì)算得出的，分辨率為 10 mV/計(jì)數(shù)，或每個(gè)單元 5 mV。將它們直接放置在電池上，負(fù)載約為 5–6 ?A，這將在大約 50 年內(nèi)耗盡典型電池的電量；我們可以忍受這一點(diǎn)。所選電阻比的精度接近 1%。

　　許多組件沒(méi)有指定值，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于您選擇的穩(wěn)壓器和升壓轉(zhuǎn)換器。借助 LM1117-3.3，圖 1 中的電路可以處理高達(dá) 15 V 的輸入，但 TO-220 版本在負(fù)載電流接近 80 mA 時(shí)會(huì)變得相當(dāng)熱（約 1 W，這是在沒(méi)有散熱的情況下的實(shí)際功率限制）。

　　我還使用了圖 2，其中 Microchip 的 MCP1824T-3302 為 Maxim MAX1674 升壓轉(zhuǎn)換器供電，Q1 使用 IRLML6402，該轉(zhuǎn)換器必須具有低導(dǎo)通電阻。許多其他的和更新的設(shè)備都適合，您可能有自己喜歡的設(shè)備。
　　雖然外部電源輸入顯示為裸露，但您可能需要為其配備一些濾波和保護(hù)裝置，例如多晶硅保險(xiǎn)絲和合適的齊納二極管或 TVS。同樣，沒(méi)有指定連接器，但 USB 和桶形插孔都有它們的位置。

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