2×AA/USB组合电源方法
出处：维库电子市场网 发布于：2024-05-11 17:29:24 | 507 次阅读
虽然内置可充电锂通常是当今便携式套件的最佳解决方案，但有时使用带有外部电源选项（可能来自 USB 电源）的可更换电池仍然更合适。此 DI 展示了优化此功能的方法。
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组合电源的常用方法是将它们并联，每个电源串联一个。如果电压匹配并且可以容忍由于二极管压降而造成的有效电池容量的一些损失，那就没问题了。我们假设所讨论的套件是小型手持式或可放入口袋的东西，可能使用像 PIC 这样的微控制器，电池由两节 AA 电池组成，可选择外部 5 V 电源，以及一个可产生 3.3 V 内部电源轨。这里使用的简单转向二极管会导致外部电源电压不匹配，同时浪费 10% 或 20% 的电池容量。
图 1显示了一种更好的实现方法。外部电源经过预先调节以避免不匹配，而主动可最大限度地减少电池损耗。我在一次性和生产单位中都使用过这一方案，并且总是取得良好的效果。
图 1外部电源的预调节与与电池串联的几乎无损的开关相结合，从而最大限度地延长了电池的使用寿命。
电池供电由 Q1 控制，Q1 是一个反向 p-MOSFET。U1 将任何输入电压降至 3.3V。在没有外部电源的情况下，Q1 的栅极比其源极更负，因此它稳定导通，并且（几乎）在 C3 上出现完整的电池电压，为升压转换器供电。Q2 的发射极-基极二极管阻止任何电流流回 U1。除了内部漏极-源极或体二极管之外，MOSFET 的主要特性几乎是对称的，这允许这种反向操作。
当存在外部电源时，Q1.G 将偏置至 3.3V，将其关闭并有效地断开电池连接。现在，Q2 被驱动至饱和状态，将 U1 的 3.3 V 输出（减去 Q2 的 100–200 mV 饱和正向电压）连接至升压转换器。（如图所示，2N2222 的 V SAT比许多其他类型的要低。）请注意，Q2 的基极电流并没有浪费，而只是增加了升压转换器的供电电流。使用二极管隔离 U1 会产生更大的压降，这可能会导致问题：新型优质 AA 锰碱性 (MnAlk) 电池的卸载电压可能远高于 1.6 V，并且如果 C3 两端的电压远高于低于 3 V，它们可以通过 MOSFET 固有的漏极-源极或体二极管放电。这种安排避免了任何此类问题。
反向 MOSFET 多年来一直用于提供电池反向保护，当然这种保护是这些电路所固有的。如果 Q1 未完全导通，例如在外部电源断开后的几微秒内，体二极管还会为来自电池的电流提供辅助路径。
现在调节器的输出可以直接连接到 C3 和升压转换器。有些器件还具有内部开关，可以完全隔离输出，因此可以省略 D1。原则上，此类稳压器可以直接馈入最终的 3.3mV 电源轨，但这实际上会使问题变得复杂，因为升压转换器还需要防反向，并且本身可能需要关闭。当存在外部电源时，R2 现在用于使 Q1 偏置关闭。
如果我们假设该套件使用微控制器，我们可以轻松监控 PSU 的运行。R5（纯粹是为了安全起见）允许微控制器检查是否存在外部电源，而 R3 和 R4 则允许其准确测量电池电压。它们的值是在假设我们使用 8 位 A-D 转换和 3.3 V 参考电压的情况下计算得出的，分辨率为 10 mV/计数，或每个单元 5 mV。将它们直接放置在电池上，负载约为 5–6 ?A，这将在大约 50 年内耗尽典型电池的电量；我们可以忍受这一点。所选电阻比的精度接近 1%。
虽然外部电源输入显示为裸露，但您可能需要为其配备一些滤波和保护装置，例如多晶硅和合适的或 TVS。同样，没有指定连接器，但 USB 和桶形插孔都有它们的位置。
用您独特的设计让工程界惊叹： 设计理念提交指南
组合电源的常用方法是将它们并联，每个电源串联一个。如果电压匹配并且可以容忍由于二极管压降而造成的有效电池容量的一些损失，那就没问题了。我们假设所讨论的套件是小型手持式或可放入口袋的东西，可能使用像 PIC 这样的微控制器，电池由两节 AA 电池组成，可选择外部 5 V 电源，以及一个可产生 3.3 V 内部电源轨。这里使用的简单转向二极管会导致外部电源电压不匹配，同时浪费 10% 或 20% 的电池容量。
图 1显示了一种更好的实现方法。外部电源经过预先调节以避免不匹配，而主动可最大限度地减少电池损耗。我在一次性和生产单位中都使用过这一方案，并且总是取得良好的效果。
图 1外部电源的预调节与与电池串联的几乎无损的开关相结合，从而最大限度地延长了电池的使用寿命。电池供电由 Q1 控制，Q1 是一个反向 p-MOSFET。U1 将任何输入电压降至 3.3V。在没有外部电源的情况下，Q1 的栅极比其源极更负，因此它稳定导通，并且（几乎）在 C3 上出现完整的电池电压，为升压转换器供电。Q2 的发射极-基极二极管阻止任何电流流回 U1。除了内部漏极-源极或体二极管之外，MOSFET 的主要特性几乎是对称的，这允许这种反向操作。
当存在外部电源时，Q1.G 将偏置至 3.3V，将其关闭并有效地断开电池连接。现在，Q2 被驱动至饱和状态，将 U1 的 3.3 V 输出（减去 Q2 的 100–200 mV 饱和正向电压）连接至升压转换器。（如图所示，2N2222 的 V SAT比许多其他类型的要低。）请注意，Q2 的基极电流并没有浪费，而只是增加了升压转换器的供电电流。使用二极管隔离 U1 会产生更大的压降，这可能会导致问题：新型优质 AA 锰碱性 (MnAlk) 电池的卸载电压可能远高于 1.6 V，并且如果 C3 两端的电压远高于低于 3 V，它们可以通过 MOSFET 固有的漏极-源极或体二极管放电。这种安排避免了任何此类问题。
反向 MOSFET 多年来一直用于提供电池反向保护，当然这种保护是这些电路所固有的。如果 Q1 未完全导通，例如在外部电源断开后的几微秒内，体二极管还会为来自电池的电流提供辅助路径。
图 1 将 U1 显示为 LM1117-3.3 或类似类型，但许多更现代的稳压器提供了更好的解决方案，因为它们的输出在未通电时显示为开路，而不是允许反向电流从其输出流向接地。图 2显示了此实现。
现在调节器的输出可以直接连接到 C3 和升压转换器。有些器件还具有内部开关，可以完全隔离输出，因此可以省略 D1。原则上，此类稳压器可以直接馈入最终的 3.3mV 电源轨，但这实际上会使问题变得复杂，因为升压转换器还需要防反向，并且本身可能需要关闭。当存在外部电源时，R2 现在用于使 Q1 偏置关闭。
如果我们假设该套件使用微控制器，我们可以轻松监控 PSU 的运行。R5（纯粹是为了安全起见）允许微控制器检查是否存在外部电源，而 R3 和 R4 则允许其准确测量电池电压。它们的值是在假设我们使用 8 位 A-D 转换和 3.3 V 参考电压的情况下计算得出的，分辨率为 10 mV/计数，或每个单元 5 mV。将它们直接放置在电池上，负载约为 5–6 ?A，这将在大约 50 年内耗尽典型电池的电量；我们可以忍受这一点。所选电阻比的精度接近 1%。
许多组件没有指定值，因为它们取决于您选择的稳压器和升压转换器。借助 LM1117-3.3，图 1 中的电路可以处理高达 15 V 的输入，但 TO-220 版本在负载电流接近 80 mA 时会变得相当热（约 1 W，这是在没有散热的情况下的实际功率限制）。
虽然外部电源输入显示为裸露，但您可能需要为其配备一些滤波和保护装置，例如多晶硅和合适的或 TVS。同样，没有指定连接器，但 USB 和桶形插孔都有它们的位置。
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