供电电源切换电路及切换方法、供电设备与流程

本公开涉及电子电路领域，特别涉及一种供电电源切换电路、供电电源切换方法及包含供电电源切换电路的供电设备。

背景技术：

在通信电子设备和个人电子产品中，很多产品需要使用到备用电池供电。一般的通信类主控单板、pc机主板、个人掌上电子用品等电子产品，在仪器关断外部电源后，需要切换到备份电池以对产品中的数据进行不掉电保护，这样数据就不会丢失，再次开机时这些数据仍可以被使用。因此对于此类的产品，对备份电池的要求是能够长时间为负载供电。

现有技术中，对备份电池和外部电源进行切换的方案有两种：第一种是使用专用芯片；第二种是使用场效应晶体管进行切换。但是第一种方案的实现价格昂贵，第二种方案虽然切换功能简单，但是在部分应用场景下无法保证电路的正常功能，同时也不能对备份电池的放电电压进行保护。

鉴于此，本领域亟需开发一种新的供电电源切换电路及切换方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种供电电源切换电路和供电电源切换方法、供电设备，进而至少在一定程度上保证备份电池与外部电源切换时的可靠性，避免产品生产和储存时带电，并且能够监测备份电池的电压，防止备份电池出现过放。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的第一方面，提供一种供电电源切换电路，其特征在于，包括：

外部电源监测模块，与外部电源连接，用于监测所述外部电源的接入或断开；

备份电池监测模块，与备份电池连接，用于监测所述备份电池的电压；

开关模块，所述开关模块分别与所述外部电源监测模块和所述备份电池监测模块连接，用于根据所述外部电源监测模块和/或所述备份电池监测模块的监测结果导通或截止，以控制所述备份电池的供断电。

在本公开一示例性实施例中，所述供电电源切换电路还包括：

微控制模块，与所述备份电池监测模块连接，用于在所述备份电池单独供电时，控制所述备份电池的供断电。

在本公开一示例性实施例中，所述外部电源检测模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻与所述第二电阻并联，所述第三电阻与所述第四电阻串联，且所述第一电阻和所述第二电阻的第一端与所述外部电源连接，所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端接地。

在本公开一示例性实施例中，所述备份电池监测模块包括一稳压电源、第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端与负载连接，第二端与所述第六电阻的第一端及所述稳压电源的第一引脚连接，所述第六电阻的第二端和所述稳压电源的第二引脚接地。

在本公开一示例性实施例中，所述开关模块包括第一开关单元和第二开关单元，所述外部电源监测模块控制所述第一开关单元的导通或截止，所述备份电池监测模块控制所述第二开关单元的导通或截止。

在本公开一示例性实施例中，所述第一开关单元和所述第二开关单元为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第一开关单元的控制端与所述第三电阻的第一端连接，第一端与负载连接，第二端与所述第二开关单元的第二端连接；所述第二开关单元的控制端通过第七电阻与所述稳压电源的第三引脚连接，第一端与所述备份电池连接。

在本公开一示例性实施例中，所述第一开关单元中的体二极管与一肖特基二极管并联。

在本公开一示例性实施例中，当所述外部电源检测模块检测到所述外部电源接入时，所述开关模块中的第一开关单元截止，所述第二开关单元导通，所述外部电源向负载供电；

当所述外部电源检测模块检测到所述外部电源断开时，所述开关模块中的第一开关单元和第二开关单元均导通，所述备份电池向负载供电；

当所述备份电池监测模块监测到所述备份电池的电压低于一预设值时，所述开关模块的第二开关单元截止，以关断所述备份电池的供电；

当组装产品时，所述开关模块中的第一开关单元与第二开关单元均截止，负载无电能输入。

根据本公开的第二方面，提供一种供电电源切换方法，应用于上述的供电电源切换电路，其特征在于，包括：

所述外部电源接入时，所述开关模块中的第一开关单元截止，第二开关单元导通，所述外部电源向负载供电；

所述外部电源断开时，所述第一开关单元和所述第二开关单元均导通，所述备份电池向所述负载供电。

根据本公开的第三方面，提供一种供电装置，其特征在于，包含上述的供电电源切换电路。

由上述技术方案可知，本公开示例性实施例中的供电电源切换电路及切换方法、供电设备至少具备以下优点和积极效果：

本公开中的供电电源切换电路包括外部电源监测模块、备份电池监测模块和开关模块，通过外部电源监测模块监测外部电源的接入或断开；备份电池监测模块监测备份电池的电压；开关模块根据外部电源监测模块和/或备份电池监测模块的监测结果导通或截止，以控制备份电池的供断电。通过本公开的供电电源切换电路，一方面能够及时在备份电池和外部电源之间切换，保证了备份电池和外部电源切换时的稳定性；另一方面，根据外部电源监测模块和/或备份电池监测模块的监测结果，通过开关模块的导通/截止控制备份电池的供断电，能够防止备份电池过放，延长了备份电池的寿命；另外只有当接入外部电源时，才能激活备份电池供电，避免了产品生产和储存时带电的风险。

本公开应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出相关技术中供电电源切换电路的示意图；

图2示出本公开示例性实施例中供电电源切换电路的结构示意图；

图3示出本公开示例性实施例中供电电源切换电路的结构示意图；

图4示出本公开示例性实施例中外部电源监测模块的结构示意图；

图5示出本公开示例性实施例中备份电池监测模块的结构示意图；

图6示出本公开示例性实施例中稳压电源的等效电路图；

图7示出本公开示例性实施例中开关模块的结构示意图；

图8示出本公开示例性实施例中供电电源切换电路的示意图；

图9示出本公开示例性实施例中供电电源切换方法的流程图；

图10示出本公开示例性实施例中供电装置的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

本说明书中使用用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

此外，本公开中所使用的“连接”，可以包括两个或多个元件相互直接实体或电性接触/耦接，或者相互间接实体或电性接触/耦接。同时，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

在本领域的相关技术中，具有备份电池的设备要求外部电源断开时切换电路快速打开，备份电池向负载供电；当外部电源接入时，又要求切换电路延时打开，等待内部dc-dc转换电路正常工作后才进行切换，使外部电源对负载供电，否则会导致外部电源接入时由于dc-dc转换电路未正常工作时，供电电源立即切换，导致电压跌落，从而引起系统重启。

图1示出了相关技术中的供电电源切换电路，该切换电路包括外部电源vin、备份电池vbat、负载4v2、第一开关单元q40、第二开关单元q41和电阻r1、r2。其中，电阻r1的阻值可以是200k，电阻r2的阻值可以是300k；电阻r1的第一端与外部电源vin连接，第二端与电阻r2的第一端、第一开关单元q40和第二开关单元q41的控制端连接；第一开关单元q40的第一端与负载4v2连接，第二端与第二开关单元q41的第二端连接；第二开关单元q41的第一端与备份电池vbat连接；电阻r2的第二端接地。

但是该切换电路在供电电源切换时存在以下问题：(1)外部电源vin断开时，由于外部电源vin中存在电容，会导致切换变慢，备份电池vbat无法快速切换打开，给负载4v2供电；(2)外部电源vin接入时，第一开关单元q40和第二开关单元q41会迅速关闭，而dc-dc转换电路从输入接入到正常输出存在一定的启动过程，因此在dc-dc转换电路还没有正常工作时，会导致负载4v2的电压波动，甚至会引起系统复位重启；(3)切换电路在生产、存储时，由于没有外部电源vin输入，第一开关单元q40和第二开关单元q41会一直打开，存在带电生产、存储的缺陷，同时由于第一开关单元q40和第二开关单元q41在没有外部电源vin输入时一直打开，会导致备份电池一直放电，直到备份电池的电量被消耗完，这会严重影响备份电池的寿命。

鉴于相关技术中存在的问题，本公开首先提出了一种供电电源切换电路，图2示出了本公开中供电电源切换电路的示意图，如图2所示，供电电源切换电路200包含外部电源监测模块201、备份电池监测模块202和开关模块203，其中外部电源监测模块201，与外部电源vin连接，用于监测外部电源vin的接入或断开；备份电池监测模块202，与备份电池vbat连接，用于监测备份电池vbat的电压；开关模块203，分别与外部电源监测模块201和备份电池监测模块202连接，用于根据外部电源监测模块201和/或备份电池监测模块202的监测结果导通或截止，控制备份电池vbat的供断电；当外部电源监测模块201监测到外部电源接入时，开关模块203截止，关断备份电池vbat的供电，使外部电源vin通过dc-dc转换电路为负载供电；当外部电源监测模块201监测到外部电源vin断开时，开关模块203导通，使备份电池vbat为负载供电；当备份电池监测模块202监测到备份电池vbat的电压低于一预设值时，开关模块203截止，关断备份电池vbat为负载供电，防止备份电池vbat过放。

本公开中的供电电源切换电路通过开关模块根据外部电源监测模块和/或备份电池监测模块的监测结果导通或截止，控制备份电池的供断电，一方面能够及时在备份电池和外部电源之间切换，保证了备份电池和外部电源切换时的稳定性；另一方面，能够防止备份电池过放，延长了备份电池的寿命。

在本公开的示例性实施例中，图3示出供电电源切换电路200的另一种结构示意图，如图3所示，供电电源切换电路200还包括微控制模块204，其与备份电池监测模块202连接，用于在备份电池vbat单独供电时，自主控制备份电池vbat的供断电。

在本公开的示例性实施例中，图4示出了外部电源监测模块201的结构示意图，如图4所示，外部电源监测模块201包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4，其中第一电阻r1和第二电阻r2并联，第一电阻r1的第一端、第二电阻r2的第一端与外部电源vin连接，第二端与第三电阻r3的第一端连接；第三电阻r3的第二端与第四电阻r4的第一端连接，第三电阻r3和第四电阻r4串联；第四电阻r4的第二端接地。

在本公开的示例性实施例中，图5示出了备份电池监测模块202的结构示意图，如图5所示，备份电池监测模块202包括一稳压电源、第五电阻r5和第六电阻r6，第五电阻r5的第一端与负载4v2连接，第二端与第六电阻r6的第一端和稳压电源的第一引脚1连接；第六电阻r6的第二端接地；稳压电源的第二引脚2接地，第三引脚3与第七电阻r7和第八电阻r8的第二端连接；第八电阻r8的第一端与负载4v2连接。

在本公开的示例性实施例中，稳压电源可以是可控精密稳压电源，可以选用型号为cj431、tj431、tl431等的稳压电源，本公开对此不做具体限定。以cj431稳压电源为例，图6示出了稳压电源的等效电路图，如图6所示，稳压电源包括比较器、三极管和二极管，第一引脚1即比较器的ref引脚，第二引脚2即阳极，第三引脚3即阴极。电压信号通过ref引脚输入至比较器，比较电压信号通过与ref引脚相邻的“-”引脚输入至比较器，通过比较器运算输出相应地信号，以驱动三极管及二极管工作。对cj431稳压电源而言，当ref脚电压高于2.5v时，阴极与阳极之间将有电流流过。同时，为了保证稳压电源的正常工作，阴极要求有最小1ma的电流流入。

在本公开的示例性实施例中，图7示出了开关模块的结构示意图，如图7所示，开关模块203包括第一开关单元203a和第二开关单元203b，其中第一开关单元203a靠近负载4v2，由外部电源监测模块201控制其导通或截止；第二开关单元203b靠近备份电池vbat，由备份电池监测模块202控制其导通或截止，例如当备份电池监测模块202监测到电池电压低于3.3v时，将截止第二开关单元203b，进而关闭备份电池的供电。同时微控制模块204根据备份电池监测模块202的监测结果，自主控制备份电池vbat的供断电。

在本公开的示例性实施例中，图8示出了供电电源切换电路的结构示意图，如图8所示，第一开关单元203a和第二开关单元203b可以是金属氧化物半导体场效应晶体管，其中第一开关单元203a的控制端与第三电阻r3的第一端连接，第一端与负载4v2连接，第二端与第二开关单元203b的第二端连接；第二开关单元203b的控制端与第七电阻r7的第一端连接，第一端与备份电池vbat连接。进一步地，第一开关单元203a和第二开关单元203b可以是p型mosfet。

进一步地，如图8所示，在第一开关单元203a的体二极管两端并联一二极管d，该二极管d可以是普通二极管、肖特基二极管等，由于肖特基二极管具有开关频率高和正向低压降的优点，因此二极管d优选为肖特基二极管。二极管d与第一开关单元203a中的体二极管并联，能够降低体二极管的正向导通压降，例如体二极管在大电流时正向压降可以达到1v，二极管d最大压降为0.5v；并且二极管d可以在负载4v2需要大电流时起到分流的作用，降低第一开关单元203a发热的风险。

在本公开的示例性实施例中，如图8所示，其中的baterry_ctrl端口是微控制模块204的通用编程输入/输出接口，通过一电阻与开关sw1连接，可以控制微控制模块204在备份电池vbat单独供电时主动关断备份电池vbat的供电；adc_bat_in端口是与微控制模块204的adc输入连接的模拟数字转换接口，用于检测备份电池vbat的电压(只有当外部电源vin接入或备份电池vbat单独给负载供电，使第二开关单元203b导通时才有电压)，同时可以用于检测备份电池vbat是否正常。对于通过微控制模块204自主关断备份电池vbat供电的原理，具体为：当备份电池vbat单独供电时，微控制模块204通过battery_ctrl端口向供电电源切换电路200输入一低电平信号，开关sw1闭合，在低电平信号的作用下，备份电压监测模块202的第一引脚1的电压低于2.5v，且第二引脚2和第三引脚3之间无电流流过，使得第二开关单元203b控制端的电平拉高，进而将第二开关单元203b截止，关断备份电池vbat的供电。

进一步地，在第三电阻r3和第四电阻r4之间可以设置一连接到微控制模块204的信号线，用于根据第三电阻r3和第四电阻r4之间的电压值判断外部电源vin是否接入。当导通外部电源vin时，由于第三电阻r3和第四电阻r4分压，会导致p点处的电压升高，微控制模块204通过信号线端口power_in检测到电压升高即可判断外部电源vin接入；当关断外部电源vin时，p点处的电压下降直至保持不变，微控制器204即可根据电压的变化趋势确定外部电源vin未接入。

在本公开的示例性实施例中，在第六电阻r6的两端并联有电容c，用于在微控制模块204主动复位时，保护稳压电源引脚的电压，防止由于微控制模块204的不稳定引起第二开关单元203b的不稳定，以进一步提高供电电源切换电路的稳定性。

在本公开的示例性实施例中，供电电源切换电路200中还可以包含干扰滤除模块，以进一步提高供电电源切换电路中备份电池vbat和外部电源vin切换时的稳定性。

在本公开的示例性实施例中，还提供了一种供电电源切换方法，该切换方法应用于本公开中的供电电源切换电路。图9示出了本公开中的供电电源切换方法的流程图，具体如下：

s1：外部电源接入时，开关模块中的第一开关单元截止，第二开关单元导通，外部电源向负载供电；

s2：外部电源断开时，开关模块中的第一开关单元和第二开关单元均导通，备份电池向负载供电。

接下来，根据图8示出的供电电源切换电路的结构示意图对供电电源切换电路的工作原理及切换方法进行详细描述。

当组装、储存产品时，由于外部电源vin未接入，负载4v2无电压输入。同时稳压电源由于无电压输入，处于不工作状态，因此与稳压电源连接的第二开关单元203b的控制端的电压也不会产生变化，因而第一开关单元203a和第二开关单元203b均截止，电路中无电流流过，进而在组装、储存产品时不会出现带电操作的风险。

当外部电源vin第一次接入时，此时备份电池vbat没有供电，电路冷启动。外部电源vin接入时，其与负载4v2之间的dc-dc转换电路开始工作，当负载4v2工作电压正常时，稳压电源的第三引脚3至少有2ma的电流流入，稳压电源正常工作。由于第五电阻r5和第六电阻r6在稳压电源的第一引脚1处的分压大于2.5v，在稳压电源的第二引脚2和第三引脚3之间有电流流过，第二开关单元203b的控制端电位被拉低，使得第二开关单元203b导通。同时，外部电源vin接入，由于第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4分压，使得第一开关单元203a的控制端电位高于源极电位，因此第一开关单元203a截止。另外，充满后的备份电池vbat的电压为4.2v，与负载4v2之间的电压差很小，第一开关单元203a中的体二极管和二极管d不会被导通，因此第一开关单元203a完全截止，仅外部电源vin向负载4v2供电。

当外部电源vin断开时，外部电源vin的电压由于存在内部电容会缓慢下降，引起通过dc-dc转换电路供给负载4v2的电压跌落。当负载4v2的电压跌落到3.9v时，二极管d导通，备份电池vbat将通过二极管d或第一开关单元203a的体二极管给负载4v2供电，保证负载端的电压不会继续跌落。由于负载4v2的电压不会跌落到3.3v以下，因此第二开关单元203b一直导通。当外部电源vin的电压跌落到第一开关单元203a的导通阀值时(对于24v的供电系统，当外部电源vin的电压低于9.3v时，第一开关单元203a导通)，第一开关单元203a将导通，此时体二极管和二极管d失效，备份电池vbat单独向负载4v2供电，负载4v2的电压回升到约为备份电池vbat的电压。由于在第二开关单元203b靠近备份电池端，存在一电压源bat_4v2给第二开关单元203b提供电压，因此第二开关单元203b一直处于导通状态，因而在控制开关模块203的导通或截止时，只需控制第一开关单元203a导通与截止的切换，相比控制两个开关单元的切换，切换一个开关单元的速度更快，节省了切换时间。

当在备份电池vbat供电的时候接入外部电源vin时，第一开关单元203a的控制端电平被拉高，当达到关断阀值时，第一开关单元203a截止。此时dc-dc转换电路可能还未正常工作，当负载4v2的电压跌到约3.9v时，备份电池vbat继续通过二极管d或体二极管给负载4v2供电，直到dc-dc转换电路的输出正常。当dc-dc转换电路的输出正常后，负载4v2的电压与备份电池vbat的电压接近，二极管d和体二极管不导通，第一开关单元203a完全截止，此时外部电源vin向负载4v2供电。

当备份电池vbat供电，且电压低于3.3v时，由于第五电阻r5和第六电阻r6的分压，稳压电源的第一引脚1的电压将低于2.5v，第二引脚2和第三引脚3将截止，无电流流过；第二开关单元203b的控制端电平逐渐与源极的电平接近，使得第二开关单元203b截止。同时无外部电源vin供电，负载4v2的电压下降直至0，第一开关单元203a也截止，直到完全关断备份电池vbat的供电。这样能够防止备份电池过放，并且对负载4v2短路起到保护作用。

本公开的供电电源切换电路通过增加较少价格低廉的元器件，保证了系统在备份电池与外部电源切换时的稳定性，所增加的元器件都是本领域通用的器件，对于不同厂家生产的同类型产品都是可兼容的，即使发生物料停产的情况，也只需适应性修改产品的物料清单即可；同时本公开兼顾备份电池电压监测功能，当备份电池电压低于保护门槛阀值时即可自动关断备份电池的供电，从而延长了备份电池的寿命；并且本公开在不接外部电源，单独接入备份电池时，备份电池不会自动给负载供电，只有接入外部电源再断开时，才能激活备份电池的供电，从而避免了产品组装及存储时的带电风险。

在本公开的示例性实施例中，还提供了一种供电装置，图10示出了供电装置的结构示意图，如图10所示，供电装置1000包括供电电源切换电路1001，其中该供电电源切换电路1001为本公开中的供电电源切换电路。该供电装置1000可以是车载供电装置，也可以是其它的为设备供电的供电装置，如为汽车诊断设备供电的供电装置，本公开对此不做具体限定。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。