一种电源切换电路的制作方法

本发明涉及电源电路设计领域，特别涉及一种电源切换电路。

背景技术：

当前，主控芯片电源架构常划分为两块，一是主电源域，cpu(centralprocessingunit，中央处理器)、存储、外设等大部分功能模块都设在这个区域，另一块是rtc(real_timeclock，实时时钟)电源域，主要放晶振时钟、rtc模块等需要常开的电路。除了进入rtc-only模式外，主电源域一直保持有电状态，有市电时由市电供电，没有市电则切换到电池供电，通常这个切换动作在芯片外部完成。参见图1，为了防止倒灌，调节后的市电78l05output(一般市电经过整流桥后再由ldo(lowdropoutregulator，低压差线性稳压器，如78l05)转换后进行供电)和电池battery各自串接一个二极管再供给芯片电源输入vdd。一般情况下，市电电压高于电池电压，所以正常情况下都会由市电进行供电，但是图1的结构中二极管的导通压降无法消除，严重影响了电池的供电寿命，显著降低电池的耐用度。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电源切换电路，以便消除或减弱供电过程中导通压降。其具体方案如下：

一种电源切换电路，包括io电源端口、由市电供电的第一电源端口以及由电池供电的第二电源端口，所述第一电源端口与所述io电源端口之间设有第一开关，所述第二电源端口与所述io电源端口之间设有第二开关，所述电源切换电路还包括：

采样电路，用于对所述第一电源端口进行电压采样，得到第一电压；

比较电路，用于比较所述第一电压和电压阈值，得到比较信号；

动作电路，用于根据所述比较信号，在所述第一电压不低于所述电压阈值时导通所述第一开关、断开所述第二开关，在所述第一电压低于所述电压阈值时断开所述第一开关、导通所述第二开关。

优选的，所述第一开关和所述第二开关均为衬底与所述io电源端口连接的pmos管。

优选的，所述动作电路包括信号处理单元，第一动作单元，第二动作单元，其中：

所述信号处理单元根据所述比较信号生成第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号的相位相反；

所述第一动作单元的输入端接收所述第一信号，所述第一动作单元的输出端与所述第一开关的门极连接，所述第一动作单元用于在所述第一电压不低于所述电压阈值时导通所述第一开关、在所述第一电压低于所述电压阈值时断开所述第一开关；

所述第二动作单元的输入端接收所述第二信号，所述第二动作单元的输出端与所述第二开关的门极连接，所述第二动作单元用于在所述第一电压不低于所述电压阈值时断开所述第二开关、在所述第一电压低于所述电压阈值时导通所述第二开关。

优选的，所述第一动作单元包括第一pmos管、第二pmos管和第三pmos管，其中：

所述第一pmos管的门极作为所述第一动作单元的输入端；

所述第一pmos管的第一端及其衬底、所述第二pmos管的第一端及其衬底均与所述io电源端口连接；

所述第二pmos管的门极与其第二端、所述第三pmos管的第一端及其衬底均连接；

所述第一pmos管的第二端作为所述第一动作单元的输出端，与所述第三pmos管的第二端及其门极均连接。

优选的，所述第一动作单元还包括电流源、第一nmos管、第二nmos管和第三nmos管，其中：

所述第一nmos管的第一端通过所述电流源与所述io电源端口连接，所述第一nmos管的门极与所述第一pmos管的门极连接，所述第一nmos管的衬底与参考地连接，

所述第一nmos管的第二端与所述第二nmos管的门极、所述第三nmos管的第一端及其门极均连接；

所述第二nmos的第一端与所述第一pmos管的第二端连接；

所述第二nmos管的第二端及其衬底、所述第三nmos管的第二端及其衬底均与接地端连接。

优选的，所述第二动作单元包括第四pmos管、第五pmos管、第六pmos管、第七pmos管、第四nmos管和第五nmos管，其中：

所述第四pmos管的门极作为所述第二动作单元的输入端，与所述第五pmos管的门极、所述第四nmos管的门极和所述第五nmos管的门极均连接；

所述第四pmos管的第一端及其衬底均与所述io电源端口连接，所述第四pmos管的第二端与所述第六pmos管的第一端连接；

所述第五pmos管的第一端及其衬底均与所述第二电源端口连接，所述第五pmos管的第二端与所述第七pmos管的第一端连接；

所述第四nmos管的第一端作为所述第二动作单元的输出端，与所述第六pmos管的第二端、衬底和门极，以及所述第七pmos管的第二端、衬底和门极，所述第五nmos管的第一端均连接；

所述第四nmos管的第二端及其衬底、所述第五nmos管的第二端及其衬底均与接地端连接。

优选的，所述信号处理单元包括：

反相不交叠时钟，用于接收所述比较信号并生成第一初始信号和第二初始信号，所述第一初始信号和所述第二初始信号的相位相反；

由所述io电源端口供电的第一buffer，用于接收所述第一初始信号并输出所述第一信号；

电平转换器，用于接收所述第二初始信号；

与所述电平转换器的输出端连接、由所述第二电源端口供电的第二buffer，用于输出所述第二信号。

优选的，所述比较电路包括：

反相输入端的电位为所述第一电压、同相输入端的电位为所述电压阈值的比较器。

优选的，所述电源切换电路还包括第八pmos管，所述第八pmos管的门极与所述第一开关的门极连接，所述第八pmos管的第一端、第二端及其衬底均与所述第一电源端口连接。

优选的，所述电源切换电路还包括第九pmos管，所述第二开关的衬底通过所述第九pmos管与所述io电源端口连接。

本申请公开了一种电源切换电路，包括io电源端口、由市电供电的第一电源端口以及由电池供电的第二电源端口，所述第一电源端口与所述io电源端口之间设有第一开关，所述第二电源端口与所述io电源端口之间设有第二开关，所述电源切换电路还包括：采样电路，用于对所述第一电源端口进行电压采样，得到第一电压；比较电路，用于比较所述第一电压和电压阈值，得到比较信号；动作电路，用于根据所述比较信号，在所述第一电压不低于所述电压阈值时导通所述第一开关、断开所述第二开关，在所述第一电压低于所述电压阈值时断开所述第一开关、导通所述第二开关。本申请中切换动作由第一开关和第二开关实现，第一开关和第二开关的通断具有特定的电压条件，不会出现两个开关同时导通的情况，且两个开关导通时的压降远小于二极管的导通压降，在达到电源切换效果的同时，消除了导通压降的影响，显著提高了电池的利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中常用的一种切换电路的结构分布图；

图2为本发明实施例中一种电源切换电路的结构分布图；

图3为本发明实施例中一种具体的电源切换电路的局部结构分布图；

图4为本发明实施例中增加第九pmos管pm9前后的等效电路；

图5位本发明实施例中增加第九pmos管pm9前后的仿真对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中电路切换结构中二极管的导通压降无法消除，严重影响了电池的供电寿命，显著降低电池的耐用度。本申请中切换动作由第一开关和第二开关实现，且两个开关导通时的压降远小于二极管的导通压降，在达到电源切换效果的同时，消除了导通压降的影响，显著提高了电池的利用效率。

本发明实施例公开了一种电源切换电路，参见图2所示，包括io电源端口vddio、由市电供电的第一电源端口vdd以及由电池供电的第二电源端口bat，第一电源端口vdd与io电源端口vddio之间设有第一开关k1，第二电源端口bat与io电源端口vddio之间设有第二开关k2，电源切换电路还包括：

采样电路1，用于对第一电源端口vdd进行电压采样，得到第一电压v1；

比较电路2，用于比较第一电压v1和电压阈值vref，得到比较信号；

动作电路3，用于根据比较信号，在第一电压v1不低于电压阈值vref时导通第一开关k1、断开第二开关k2，在第一电压v1低于电压阈值vref时断开第一开关k1、导通第二开关k2。

可以理解的是，本实施例中电源切换电路包括两部分，一是包括第一电源端口vdd、第二电源端口bat、io电源端口vddio、第一开关k1、第二开关k2的供电部分，二是包括采用电路1、比较电路2和动作电路3的控制部分，控制部分控制第一开关k1和第二开关k2的通断，从而确定io电源端口vddio与第一电源端口vdd还是第二电源端口bat导通。

根据动作电路3的控制逻辑，在第一电压v1不低于电压阈值vref时导通第一开关k1、断开第二开关k2，在第一电压v1低于电压阈值vref时断开第一开关k1、导通第二开关k2，同一时刻下第一开关k1和第二开关k2只有一个开关导通。通常，io电源端口vddio默认接到第一电源端口vdd，当第一电压v1低于电压阈值vref时，io电源端口vddio将切换到第二电源端口bat；第二电源端口bat作为备用电源，除非第一电源端口vdd出现掉电，备用电源通常挂在常开电路上，尽量避免供电，以提高电池寿命。因此，控制部分将第一电源端口vdd的电源是否掉电作为电源切换的判定条件，可设置5.0v的第一电源端口vdd的切换电压为3.6v，3.3v的第一电源端口vdd的切换电压为3.0v。

具体的，第一开关k1和第二开关k2的选型，可在多种可控开关管中进行选择，例如三极管、mos管等。例如第一开关k1和第二开关k2均为pmos管，考虑到第一电源端口vdd的电压由系统方案中ldo决定，可能是3.3v/5.0v，而第二电源端口bat的满电量电压通常为3.6v，而io电源端口vddio选择接入第一电源端口vdd和第二电源端口bat中电压较高者，所以将两个开关的pmos管的衬底与io电源端口vddio连接，确保开关的源漏端对衬底bulk的寄生二极管反偏。进一步的，考虑到第一开关k1常保持导通，其驱动能力要足够大，为了控制面积，选择用单位面积电流密度更大的低压pmos管pch来实现。

需要注意的是，采样电路1采样的第一电压v1与第一电源端口vdd的电压存在必然的对应关系，但不一定直接相等，例如当采样电路1以串联的分压电阻形式进行采样，则第一电压v1与第一电源端口vdd实际电压具有不为1的比例关系，因此用于判断的电压阈值vref与切换电压之间也有同样的比例关系。

具体的，比较电路2包括：反相输入端的电位为第一电压v1、同相输入端的电位为电压阈值vref的比较器u1。

进一步的，还可考虑设置一预警模块，包括比较器u2，其反相输入端的电位为串联的分压电阻上另一电压采样点，该电压采样点可比第一电压v1的采样点略高一些，同相输入端的电位仍为电压阈值vref，当该电压采样点的采样电压低于电压阈值vref，比较器u2输出预警信号。

可以理解的是，本实施例中电源切换电路可以集成芯片的形式实现，相比现有技术中两个二极管，将本实施例中电源切换电路作为集成芯片能够降低bom成本，具有较高的经济性。

本申请中切换动作由第一开关和第二开关实现，第一开关和第二开关的通断具有特定的电压条件，不会出现两个开关同时导通的情况，且两个开关导通时的压降远小于二极管的导通压降，在达到电源切换效果的同时，消除了导通压降的影响，显著提高了电池的利用效率。

本发明实施例公开了一种具体的电源切换电路，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的，参见图3所示，本实施例以第一开关k1和第二开关k2均为pmos管为例进行说明，其中所有mos管的源极或漏极均以第一端、第二端的形式进行描述，动作电路3包括信号处理单元31，第一动作单元32，第二动作单元33，其中：

信号处理单元31根据比较信号生成第一信号s1和第二信号s2，第一信号s1和第二信号s2的相位相反；

第一动作单元32的输入端接收第一信号s1，第一动作单元32的输出端与第一开关k1的门极连接，第一动作单元32用于在第一电压v1不低于电压阈值vref时导通第一开关k1、在第一电压v1低于电压阈值vref时断开第一开关k1；

第二动作单元33的输入端接收第二信号s2，第二动作单元33的输出端与第二开关k2的门极连接，第二动作单元33用于在第一电压v1不低于电压阈值vref时断开第二开关k2、在第一电压v1低于电压阈值vref时导通第二开关k2。

其中，信号处理单元31包括：

反相不交叠时钟non-overlappingclock，用于接收比较信号并生成第一初始信号和第二初始信号，第一初始信号和第二初始信号的相位相反；

由io电源端口vddio供电的第一buffer，图示为buf1，用于接收第一初始信号并输出第一信号s1；

电平转换器levelshifter，用于接收第二初始信号；

与电平转换器levelshifter的输出端连接、由第二电源端口bat供电的第二buffer，图示为buf2，用于输出第二信号s2。

可以理解的是，反相不交叠时钟能够保证第一开关k1和第二开关k2不会同时导通，避免电池电流倒灌的现象发生。

进一步的，第一动作单元32包括第一pmos管pm1、第二pmos管pm2和第三pmos管pm3，其中：

第一pmos管pm1的门极作为第一动作单元32的输入端；

第一pmos管pm1的第一端及其衬底、第二pmos管pm2的第一端及其衬底均与io电源端口vddio连接；

第二pmos管pm2的门极及其第二端、第三pmos管pm3的第一端及其衬底均连接；

第一pmos管pm1的第二端作为第一动作单元32的输出端，与第三pmos管pm3的第二端及其门极均连接。

除此外，第一动作单元32还包括电流源i、第一nmos管nm1、第二nmos管nm2和第三nmos管nm3，其中：

第一nmos管nm1的第一端通过电流源i与io电源端口vddio连接，第一nmos管nm1的门极与第一pmos管pm1的门极连接，第一nmos管nm1的衬底与参考地avss连接，

第一nmos管nm1的第二端与第二nmos管nm2的门极、第三nmos管nm3的第一端及其门极均连接；

第二nmos的第一端与第一pmos管pm1的第二端连接；

第二nmos管nm2的第二端及其衬底、第三nmos管nm3的第二端及其衬底均与接地端gnd连接。

可以理解的是，本实施例中第一开关k1通常选低压pmos管，同时要考虑其vgs电压不超出耐压值，本实施例中通过固定电流偏置经过两个二极管连接的mos官产生接近1.5v的压降：如图3中所示，在第一开关k1导通时第二pmos管pm2、第三pmos管pm3产生压降，第一开关k1未导通时有第一pmos管pm1将第一开关k1的门极与源极连接，关闭第一开关k1。

另一方面，第二动作单元33包括第四pmos管pm4、第五pmos管pm5、第六pmos管pm6、第七pmos管pm7、第四nmos管nm4和第五nmos管nm5，其中：

第四pmos管pm4的门极作为第二动作单元33的输入端，与第五pmos管pm5的门极、第四nmos管nm4的门极和第五nmos管nm5的门极均连接；

第四pmos管pm4的第一端及其衬底均与io电源端口vddio连接，第四pmos管pm4的第二端与第六pmos管pm6的第一端连接；

第五pmos管pm5的第一端及其衬底均与第二电源端口bat连接，第五pmos管pm5的第二端与第七pmos管pm7的第一端连接；

第四nmos管nm4的第一端作为第二动作单元33的输出端，与第六pmos管pm6的第二端、衬底和门极，以及第七pmos管pm7的第二端、衬底和门极，第五nmos管nm5的第一端均连接；

第四nmos管nm4的第二端及其衬底、第五nmos管nm5的第二端及其衬底均与接地端gnd连接。

为了保证第二开关k2能有效关断，需要使第二开关k2的门极电压始终跟随第一端和第二端之间的电压较高端，也即io电源端口vddio和第二电源端口bat的电压较高端，以防止io电源端口vddio和第一电源端口vdd的电压均为5v时电流倒灌到第二电源端口bat。在没有引入比较器的情况下，本实施例通过简单、低功耗低成本的电路实现了电源选择：当第一开关k1导通，第二信号s2为0电平，第四pmos管pm4和第五pmos管pm5导通，第四nmos管nm4和第五nmos管nm5关闭；第六pmos管pm6和第七pmos管pm7为gate-source连接结构，形成寄生二极管，由于没有导通电流，所以两端的压降很小，远小于vth，因此使得第二开关k2的门极电压为io电源端口vddio和第二电源端口bat的电压较高者。同时第六pmos管pm6和第七pmos管pm7还隔离了两个电源，防止倒灌现象发生。

进一步的，本实施例中电源切换电路还可包括第八pmos管pm8，第八pmos管pm8的门极与第一开关k1的门极连接，第八pmos管pm8的第一端、第二端及其衬底均与第一电源端口vdd连接。

这是考虑到冷启动时第一电源端口vdd的电压快速上升,可能引起breakdown问题，通过第八pmos管pm8的moscap，使得第一开关k1的漏极和门极之间不会骤升，进一步提高电源切换电路的可靠性。

进一步的，电源切换电路还包括第九pmos管pm9，第二开关k2的衬底通过第九pmos管pm9与io电源端口vddio连接。具体的，第九pmos管pm9的门极、第一端与所述第二开关管k2的衬底连接，第九pmos管pm9的衬底、第二端与io电源端口vddio连接。这种设置是因为，在3.3v系统应用情况下，第一电源端口vdd的电压为3.3v时，切换电压的选值范围在3.0v±10％，此时可能会出现第二开关k2仍保持关闭，但其漏极和衬底的寄生二极管正偏、从第二电源端口bat抽取电流的情况。为了避免这种情况，可在第二开关k2的衬底上串接一个第九pmos管pm9，先后的等效电路如图4所示，可将第二电源端口bat到io电源端口vddio的起始导通阈值提高一倍，图5为对应的仿真对比图，其中虚线为增加第九pmos管pm9之前的电流仿真，当io电源端口vddio低于3.0v，第二电源端口bat开始对io电源端口vddio漏电，增加了第九pmos管pm9的电路相比原电路的漏电明显减小。

可以理解的是，基于静电和群脉冲考虑，第一开关k1和io电源端口vddio之间、第二开关k2和io电源端口vddio之间均可再设置一个电阻。

综上，相对背景技术中的方案，本实施例在系统级的开发难度降低，bom成本减小，保证了电路工作的可靠性和安全性，较为理想地达到了电路切换的目的，增长了电池作为备用电源的利用寿命。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种电源切换电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。