一种电源自切换的稳压电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电源自切换的稳压电路，包括稳压单元部分及电源切换单元部分，外部电源电压输入端接入稳压单元部分，稳压单元部分经由电源切换单元部分连接电源电压输出端，同时，电源切换单元部分还连接后备电源正极输入端。本发明的优点是采用分立元器件设计稳压电路，使得设计更加灵活，选择合适的MOSFET，可以设计高输入电压的稳压电路，如8～60V输入电压的稳压；同时MOSFET具有更高的效率，同等体积可以设计更大输出电流的稳压电路。
【专利说明】一种电源自切换的稳压电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种支持外部直流与后备电池供应自动切换的稳压电路。
【背景技术】
[0002]在低功耗仪表设计时，经常使用3.6V L1-S0CL2 一次性锂电池作为仪表停电后的后备电源给RTC、MCU或LCD等低功耗电路供电。在电路设计时需要设计一个切换电路用于外部直流供电停电或上电后的电源供应选择，常规的做法如图1所示，采用低压差线性稳压器Ul与二极管切换方式，此切换电路采用二极管隔离的方式，必须保证外部直流电源电压大于电池电压才能保证正确切换。
[0003]当稳压单元输出5V时，电路能很好的保证切换准确。但随着集成电路采用更低功耗更低成本的工艺，越来越多的芯片的最高工作电压限制在3.6V，则要求稳压单元输出不高于3.6V，另外一方面L1-S0CL2 —次性锂电池在满容量的情况，其空载或者低载时的电压往往会略微高于3.6V。如果仍然采用二极管隔离的方式，则其改进型如图2，必须在电池回路上串更多的二极管。显然这样会造成更大的二极管压降，电池容量的利用率进一步下降。除此之外，采用二极管隔离，当负载大幅度变化时，二极管的管压降也会有很大的变化，可达0.3?0.7V左右，两个二极管在负载电流较大时，出现电池供电回路上压降过大，输出电压过低的现象。显然当外部直流电源供电时，若设计匹配在如ImA负载时给集成电路的电压为3.6V，则当负载瞬间变化到50mA时，此时外部供应电压由于管压降可能变为3.2V甚至更低，此时电池可能产生几百uA的损耗，长此电池寿命就会低于设计预期。
[0004]总结二极管隔离的弊端:
[0005]I)由于二极管管压降，电池利用容量变小；
[0006]2) 二极管在负载电流变化时，其管压降变化造成输出电压不稳，轻载电压过大，重载电压过低；
[0007]3)需要牺牲电池可利用电池容量以满足3V系统的切换需要。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是设计一个低成本稳压电源，以及解决仪表后备电池与外部直流输入电源的自动切换。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种电源自切换的稳压电路，包括稳压单元部分及电源切换单元部分，外部电源电压输入端接入稳压单元部分，稳压单元部分经由电源切换单元部分连接电源电压输出端，同时，电源切换单元部分还连接后备电源正极输入端，其特征在于:
[0010]稳压单元部分包括第一电阻、第一 NMOS管、第二电阻、第一电容、第二 NMOS管、第三电阻、第四电阻及第一 PNP三极管，外部电源电压输入端经由第一电阻连接第二 NMOS管漏极，第一电阻同时跨接在第一 NMOS管漏极与栅极之间，第一 NMOS管漏极亦连接外部电源电压输入端，第一 NMOS管源极经过并联的第二电阻及第一电容与第二 NMOS栅极相连，第二NMOS管栅极经第三电阻接地，第二 NMOS管源极经第四电阻接地，同时第二 NMOS管源极接第一 PNP三极管射极，第一 PNP三极管基极与集电极接地；
[0011]电源切换单元部包括第一 PMOS管、第三PMOS管、第二 PMOS管、第一二极管、第二稳压管及第五电阻，第一 NMOS管源极同时与第一 PMOS管漏极、第三PMOS管栅极及第二PMOS管栅极相连，第一 PMOS管栅极经第五电阻接地，同时与第一二极管阴极相连，第一二极管阳极与第三PMOS管漏极及第二 PMOS管漏极相连，第二稳压管阴极接第一 PMOS管漏极，第二稳压管阳极接第一 PMOS管栅极，后备电源负极接地，后备电源正极输入端与第二PMOS管源极相连，第二 PMOS管漏极与第三PMOS管漏极相连，第三PMOS管源极与第一 PMOS管源极相接后与电源电压输出端相连。
[0012]优选地，所述稳压单元部分还包括第一稳压管，所述第一 NMOS管源极与第一稳压管阴极相连，第一稳压管阳极经过所述并联的第二电阻及第一电容与所述第二 NMOS栅极相连。
[0013]优选地，所述第一 NMOS管及所述第二 NMOS管或选择相同的型号或采用双NMOS复合管。
[0014]本发明的优点是采用分立元器件设计稳压电路，使得设计更加灵活，选择合适的MOSFET，可以设计高输入电压的稳压电路，如8?60V输入电压的稳压；同时MOSFET具有更高的效率，同等体积可以设计更大输出电流的稳压电路。
[0015]使用第一 NMOS管及第二 NMOS管构建稳压电路，因为其选择相同的型号，或者可以采用双NMOS复合管，其对温度的响应一致，实现对稳压主开关第一 NMOS管的温度补偿。
[0016]由第一 PMOS管、第二 PMOS管及第三PMOS管构成切换电路，因为PMOS管的导通压降比二极管更低，所以有更高的切换效率。同时当外部输入直流稳压输出电压比电池电压略低的情况，工程设计的幅度在PMOS的栅极门限电压的一半VT0/2，通常在0.25V左右。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为二极管隔离稳压电路图；
[0018]图2为改进型二极管隔离电路图；
[0019]图3为本发明提供的一种具有电源自切换功能的稳压电路电路图；
[0020]图4为N-MOSFET栅极门限电压温度特性的示例图；
[0021]图5为使用本发明原理设计的应用图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0023]结合图3及图5应用说明，本发明提供的一种电源自切换的稳压电路由稳压电路单元与切换单元组成。仿真实例中自外部电源电压输入端Vin_DC输入的电压DC INPUT为外部直流电源输入，Rsoure用于改变外部直流电源输入单元的直流电压大小，此电源单元可输出O?60V的直流电压。SWl为开关，用于仿真控制外部直流电源的开关。Rloadl与Rload2为仿真电路模拟轻载与重载的负载，Sffload为两种负载的切换开关。
[0024]外部直流输入经过SWl接第一 NMOS管Ql漏极，第一电阻Rl跨接在第一 NMOS管Ql漏栅极之间，第一 NMOS管Ql栅极接第二 NMOS管Q2漏极，第一 NMOS管Ql源极为稳压部分的输出端，稳压部分输出端接第一稳压管Dl阴极，第一稳压管Dl阳极经过第二电阻R2连到第二 NMOS管Q2栅极，第二 NMOS管Q2栅极再经过第三电阻R3接地，第一电容Cl并在第二电阻R2两端，第二 NMOS管Q2源极经过第四电阻R4接地，同时第二 NMOS管Q2源极接第一 PNP三极管Q3发射极，第一 PNP三极管Q3集电极与基极接地。
[0025]稳压部分输出，即第一 NMOS管Ql的源极，与第一 PMOS管Q4的漏极、第三PMOS管Q5及第二 PMOS管Q6的栅极相连，第三PMOS管Q5漏极与第二 PMOS管Q6漏极相连，并接第一二极管D3阳极，第一二极管D3阴极接第一 PMOS管Q4栅极，第二稳压管D2阳极接第一 PMOS管Q4栅极，第二稳压管D2阴极接第一 PMOS管Q4的源极，第一 PMOS管Q4栅极经过第五电阻R5接地，第二 PMOS管Q6源极接后备电源(本实施例中为锂电池)正极输入端Battery正极，第一 PMOS管Q4与第三PMOS管Q5的源极相连，其连接点为切换部分单元的电源电压输出端Vout。
[0026]直流稳压电路使用第一 NMOS管Q1N-M0SFET管作稳压电路的开关元器件实现，通过第一电阻Rl输入直流电源给第一 NMOS管Ql栅极充电，使得第一 NMOS管Ql栅极电压上升。当Vgs大于栅极门限电压时开通，否则关闭，则Vs_Ql = Vg_Ql-Vgs_Ql，第一 NMOS管Ql源极电压跟随栅极电压，逐步升高。为了使得第一 NMOS管Ql源极电压稳定在需要的电压，在第一 NMOS管Ql漏极与栅极之间建立电压反馈，第二 NMOS管Q2栅极采样第一 NMOS管Ql源极电压控制第二 NMOS管Q2的工作状态，当第一 NMOS管Ql源极电压到达设计电压时，第二 NMOS管Q2开始导通，第一 NMOS管Ql栅极电压拉低，第一 NMOS管Ql开始断开，第
一NMOS管Ql源极电压下降，当第一 NMOS管Ql源极电压下降到设计电压之下时，第二 NMOS管Q2开始断开，第一 NMOS管Ql栅极电压再次上升，第一 NMOS管Ql源极电压回升。
[0027]这里第二 NMOS管Q2使用与第一 NMOS管Ql相同特性的NMOS管，这样第二 NMOS管Q2可以为第一 NMOS管Ql栅极门限电压做温度补偿。其补偿原理描述如:图4为一款常见N-M0SFET2N7002的栅极门限电压温度特性，可知其为线性关系VT0=_kt+b，VTO为栅极门限电压，t为温度，k、t为系数，栅极门限电压随温度变化关系为Λ VTO = -k* Λ t，则第一 NMOS管Ql的栅极门限电压因温度升高降低时，Vs_Ql电压随温度上升升高，同时第二 NMOS管Q2的栅极门限电压也因温度升高降低，拉低第一 NMOS管Ql栅极电压使得第一 NMOS管Ql源极电压下降，反之温度降低同理。
[0028]反馈回路中采样方式为线性采样，为了使得稳压电路具有低压差特性，我们选择低栅极门限电压的N-M0SFET，因为这个门限电压较小，电阻分压采样电压比较小。考虑器件的离散型，采样电压不宜过小，因此人为抬高采样电压第二 NMOS管Q2栅极电压，则在第二NMOS管Q2的源极串联一基准电压到地，这里使用PNP三极管基射压降作为基准，第四电阻R4给三极管提供电流旁路。第一稳压管Dl可以加速稳压起始过程，保证在第一 NMOS管Ql源极电压低于VZl时，第二 NMOS管Q2不会动作，同时第一稳压管Dl的加入，可以使得第二电阻R2与第三电阻R3选择接近的阻值，使分压比例有更好的温度特性。如果使电路变得更简洁，这里可以省略第一稳压管Dl直接短路即可，再调整第二电阻R2与第三电阻R3的阻值即可。第一电容Cl为反馈补偿电容。
[0029]电源自动切换电路三个P-MOSFET管实现。当外部直流电源有电，且稳压电路输出端(第一 NMOS管Ql源极)电压大于电池电压与第二 PMOS管Q6栅极门限电压之差时，第
二PMOS管Q6断开，第二 PMOS管Q6漏极电压不会经过第一二极管D3 二极管给第一 PMOS管Q4栅极电压充电，第一 PMOS管Q4栅极电压因第五电阻R5接地，第一 PMOS管Q4栅源间电压幅值必定大于第一 PMOS管Q4的栅极门限电压，则第一 PMOS管Q4导通，即在外部直流电源有电的情况下第一 PMOS管Q4导通给负载供电,而电池后备电源因第二 PMOS管Q6断开不会给负载供电；一旦外部直流电源掉电，第一 NMOS管Ql源极电压开始下降。当第一PMOS管Q4未断开前，第三PMOS管Q5源极电压始终不小于第三PMOS管Q5栅极电压，第三PMOS管Q5保持断开状态，此时电池后备电源通过第三PMOS管Q5的体二极管与负载隔离，负载电压大于电池电压前不会产生电池消耗。随着第一 PMOS管Q4栅极电压逐步上升，第一 PMOS管Q4源极电压因负载消耗逐步下降，因为第五电阻R5的阻值设计时比电路最小负载小，因此第一二极管D3的管压降比第三PMOS管Q5体二极管的管压降小，因此当负载电压消耗到低于电池电压，电池电压通过第三PMOS管Q5体二极管给负载供电时，负载电压肯定小于第一 PMOS管Q4栅极电压，因此电池供电时保证第一 PMOS管Q4断开,负载供电完全转到电池后备电源供电；当外部直流供电恢复，第二 PMOS管Q6栅极电压上升，第二 PMOS管Q6达到断开条件时，第二 PMOS管Q6断开，第三PMOS管Q5亦断开，第一 PMOS管Q4栅极无充电电流，且第五电阻R5接地，第一 PMOS管Q4导通，负载切换为外部电源供电。
【权利要求】
1.一种电源自切换的稳压电路，包括稳压单元部分及电源切换单元部分，外部电源电压输入端(Vin_DC)接入稳压单元部分，稳压单元部分经由电源切换单元部分连接电源电压输出端(Vout)，同时，电源切换单元部分还连接后备电源正极输入端(Battery)，其特征在于: 稳压单兀部分包括第一电阻(Rl)、第一 NMOS管(Ql)、第一稳压管(Dl)、第二电阻(R2)、第二 NMOS管(Q2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)及第一 PNP三极管(Q3)，外部电源电压输入端(Vin_DC)经由第一电阻(Rl)连接第二 NMOS管(Q2)漏极，第一电阻(Rl)同时跨接在第一 NMOS管(Ql)漏极与栅极之间，第一 NMOS管(Ql)漏极亦连接外部电源电压输入端(Vin_DC)，第一 NMOS管(Ql)源极经过并联的第二电阻(R2)及第一电容(Cl)与第二NMOS (Q2)栅极相连，第二 NMOS管(Q2)栅极经第三电阻(R3)接地，第二 NMOS管(Q2)源极经第四电阻(R4)接地，同时第二 NMOS管(Q2)源极接第一 PNP三极管(Q3)射极，第一 PNP三极管(Q3)基极与集电极接地； 电源切换单元部包括第一 PMOS管(Q4)、第三PMOS管(Q5)、第二 PMOS管(Q6)、第一二极管(D3)、第二稳压管(D2)及第五电阻(R5)，第一 NMOS管(Ql)源极同时与第一 PMOS管(Q4)漏极、第三PMOS管(Q5)栅极及第二 PMOS管(Q6)栅极相连，第一 PMOS管(Q4)栅极经第五电阻(R5)接地，同时与第一二极管(D3)阴极相连，第一二极管(D3)阳极与第三PMOS管(Q5)漏极及第二 PMOS管(Q6)漏极相连，第二稳压管(D2)阴极接第一 PMOS管(Q4)漏极，第二稳压管(D2)阳极接第一 PMOS管(Q4)栅极，后备电源负极接地，后备电源正极输入端(Battery)与第二 PMOS管(Q6)源极相连，第二 PMOS管(Q6)漏极与第三PMOS管(Q5)漏极相连，第三PMOS管(Q5)源极与第一 PMOS管(Q4)源极相接后与电源电压输出端(Vout)相连。
2.如权利要求1所述的一种电源自切换的稳压电路，其特征在于，所述稳压单元部分还包括第一稳压管(Dl) ，所述第一 NMOS管(Ql)源极与第一稳压管(Dl)阴极相连，第一稳压管(Dl)阳极经过所述并联的第二电阻(R2)及第一电容(Cl)与所述第二 NM0S(Q2)栅极相连。
3.如权利要求1所述的一种电源自切换的稳压电路，其特征在于，所述第一NMOS管(Ql)及所述第二 NMOS管(Q2)或选择相同的型号或采用双NMOS复合管。
【文档编号】H02J9/06GK104022647SQ201410290540
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】王丽春 申请人:上海协霖电子有限公司