CN101179205A - 一种电池与外置电源的切换电路及切换控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电池与外置电源的切换电路，包括一外置电源以及至少一电池包，且每个电池包输出端串接一隔离二极管；还包括两个开关管及一控制电路，隔离二极管的阴极连接第一开关管的源极，第二开关管的漏极连接外置电源，且第一开关管的漏极和第二开关管的源极均连接至公共母线，第一和第二开关管的栅极分别与所述控制电路的输出端相连；所述控制电路用于对电池和外置电源的状态进行判断，并依据判断结果控制第一和第二开关管同时截止或交替导通。该电路和方法可以保证外置电源更高的供电优先级以及外置电源与电池间的可靠切换，并且可以延长电池的待机时间，以及在外置电源供电时降低损耗。

Description

一种电池与外置电源的切换电路及切换控制方法

技术领域

本发明涉及电池与外置电源的切换电路及切换控制方法，该电路用于具备电池和外置电源两种供电方式的设备中。

背景技术

便携产品中常同时采用外置电源和备用电池的供电方式，需要在不同情况下进行供电的切换。现有切换方案主要是采用二极管来实现电池和外置电源的隔离和切换，如附图1所示。为了保证外置电源具有更高的优先级，采用这种方式时，电池电压必须低于外置电源的电压。当电池和外置电源都正常，且外置电源的电压更高时，此时D0承受正向偏压导通，而D1～DN承受反向偏压截止，由外置电源给系统供电；当外置电源掉电时，系统供电自动切换到电池供电。

现有技术的缺点主要有以下3方面：

1.无法将电池和母线隔离开，待机时母线上的静态电流会降低待机时间。当系统长时间处于待机模式时，母线上电容的漏电流及后级电路的静态电流等增加了电池的放电电流，待机时间会大大缩短。

2.外置电源电压限制。为了保证外置电源具有更高的优先级，外置电源的电压必须高于电池电压，以保证各个二极管的正确偏置。

3.损耗大。由图1中可知，由于采用二极管来实现电池和外置电源的隔离和切换，当采用外置电源供电时，二极管D0会产生较大损耗，且P＝VI(V为二极管的顺向压降，I为流过二极管的电流)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电池与外置电源的切换电路及切换控制方法，该电路和方法在电池电压低于、等于或高于外置电源电压时，均能完成电池与外置电源的可靠切换，并且可以延长电池的待机时间。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种电池与外置电源的切换电路，包括一外置电源以及至少一电池，且每个电池输出端串接一隔离二极管；还包括两个开关管及一控制电路，所述隔离二极管的阴极连接第一开关管的源极，所述第二开关管的漏极连接外置电源，且第一开关管的漏极和第二开关管的源极均连接至公共母线，第一和第二开关管的栅极分别与所述控制电路的输出端相连；所述控制电路用于对电池和外置电源的状态进行判断，并依据判断结果控制第一和第二开关管同时截止或交替导通。

所述的切换电路，其中：所述控制电路包括一判断模块以及一切换模块，所述判断模块的输入端接收工作模式信号以及外置电源和电池状态检测信号，其输出端连接切换模块的输入端；当所述判断模块判断外置电源正常时，由所述切换模块控制第一开关管截止，第二开关管导通；当所述判断模块判断外置电源有故障且电池正常时，由切换模块控制第二开关管截止，第一开关管导通；当所述判断模块收到的工作模式信号为待机信号时，由所述切换模块控制第一和第二开关管同时关断。

所述的切换电路，其中：所述第二开关管的源、漏极之间并联一分流二极管，所述分流二极管的阳极接第二开关管的漏极，其阴极接第二开关管的阴极。

所述的切换电路，其中：所述开关管为P沟道MOS管。

一种电池与外置电源的切换控制方法，包括以下步骤：

A、判断系统是否开机，若为开机状态，进入步骤B；若为待机状态，控制第一和第二开关管同时关断；

B、判断外置电源是否正常，若外置电源正常，开通第二开关管，关断第一开关管，由外置电源为系统供电；否则进入步骤C；

C、判断电池是否正常，若电池正常，关断第二开关管，开通第一开关管，由电池为系统供电直至外置电源恢复正常；否则给出故障信号和关机信号。

本发明的有益效果为：1、由于本发明的电路和方法先判断外置电源的输入电压是否正常(即外置电源电压是否在正常电压的±5％的范围内)，然后由控制电路控制两个开关管的开通或关断，因此无论外置电源低于、等于或高于电池电压，均可以保证外置电源更高的供电优先级；2、当系统处于长时间待机模式时，本发明通过控制开关管关断将电池和公共母线隔离开，以避免由于公共母线上静态电流而导致的电池电量降低，从而大大地延长了待机时间；3、本发明采用MOS管替代二极管，当采用外置电源供电时，MOSFET的损耗为I²R，由于本发明采用导通电阻非常小的MOSFET，损耗大大地降低，远小于二极管的损耗。

附图说明

图1为传统的电池与外置电源切换电路的原理框图；

图2为本发明电池与外置电源切换电路的原理框图；

图3为控制电路的控制流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

具备电池供电的便携设备一般都有两种工作模式：正常工作模式(即开机状态)和待机模式(即关机状态)，供电模式也有两种：电池供电模式和外置电源供电模式，因此系统供电会在不同的模式下切换。本发明的电池与外置电源切换电路如图2所示，包括一个外置电源EDC-POWER和多个电池或电池包，由电池和外置电源得到一个公共母线电压Vbus+，公共母线与地之间连接一电容C1，以及N个隔离二极管D1-DN(其中N≥1，由电池或电池包的个数决定)，每个隔离二极管串接在电池或电池包的输出端，还包括两个开关管Q1和Q2及一控制电路，开关管Q1和Q2采用P沟道MOS管。每个隔离二极管的阳极与电池或电池包相连，所有隔离二极管的阴极连在一起后接开关管Q1的源极，Q1的漏极连接到公共母线上；开关管Q2的漏极连接外置电源，其源极也连接至公共母线，而开关管Q1、Q2的栅极分别与控制电路的输出端相连。控制电路用于对开机信号、电池和外置电源的状态进行判断，然后依据判断结果对开关管Q1、Q2进行相应控制，使Q1、Q2同时截止或交替导通，实现系统在不同的工作模式下，由外置电源或电池进行供电的切换控制。在实际应用中，如果负载电流较大，还需要在开关管Q2的源漏极两端并联一分流二极管D0，由于所选择的外接分流二极管的正向压降远小于开关管Q2内部寄生二极管，因此D0的增加可以减小Q2内部寄生二极管正向压降造成的损耗。

控制电路可以由模拟电路或数字电路来实现，并且电路的实现方式也可以有多种多样，其电路基本结构包括一判断模块以及一切换模块，判断模块的输入端接收工作模式信号以及外置电源和电池状态检测信号，判断模块的输出端连接切换模块的输入端，切换模块的输出分别连接开关管Q1、Q2，对开关管Q1、Q2进行相应控制。当外置电源电压在正常电压±5％的范围内时，认为外置电源正常；当电池电压在欠压保护点和过压保护点之间时，认为电池正常。控制电路的具体工作方式和切换控制流程如图3所示，详述如下：

a)正常工作模式下，外置电源正常时，无论电池是否正常，都开通Q2且关断Q1，外置电源给系统供电。

b)正常工作模式下，当外置电源出现故障掉电而电池正常时，关断Q2并开通Q1，电池给系统供电。控制电路给Q2发出关断信号后需要适当延时一段时间(等Q2完全关断后)再开通Q1，否则电池电压会通过Q1和Q2反灌到外置电源侧。

c)正常工作模式下，当电池给系统供电时，如果外置电源重新启动，直到外置电源电压上升到正常电压±5％的范围内时，才开通Q2并关断Q1，完成切换。在外置电源电压上升过程中且Q2未开通前，有两种可能：1.外置电源电压低于电池电压时，D0和Q2内部寄生二级管承受反压且截止，负载电流由电池提供。2.外置电源的电压高于电池电压时，和电池相连的二级管承受反压，电池停止供电并开始由外置电源供电。由于MOS管Q2内部的寄生二级管的正向导通压降较大，一般都大于外接二级管D0，所以Q2内部寄生二级管截止，负载电流流经与Q2并联的二级管D0，这样D0的存在就可以减小由于二极管正向导通压降造成的损耗。

d)待机模式下，Q1和Q2都关断，切断了电池和公共母线上电容的连接，避免由于电容的漏电流而导致电池电量的减少，大大增加了系统的待机时间。

综上所述，本发明有以下优势：

1.传统的方案是采用二极管来实现电池和外置电源的隔离和切换，损耗大，本发明采用MOS管替代二极管，由于MOS管的通态电阻非常小，损耗大大的降低。

2.当电池电压等于或高于外置电源电压时，传统二极管方案无法选择供电的优先级，本发明依然可以保证外置电源优先。

3.当系统处于长时间待机模式，本发明可以通过控制Q1关断，将电池和外接电容断开，避免了母线静态电流产生的电池放电，大大延长了系统的待机时间。

本发明可以用于具备两种直流供电方式的设备中，其中两种供电方式中的任何一种可以是电池、超级电容器或者是外置电源，并且本发明已在产品中应用，经实验验证完全可行，且性能可靠。

应当理解的是，本发明所述的外置电源的切换电路及切换控制方法，上述针对较佳实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本发明的专利保护范围的限制，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种电池与外置电源的切换电路，包括一外置电源以及至少一电池，且每个电池输出端串接一隔离二极管；其特征在于：还包括两个开关管及一控制电路，所述隔离二极管的阴极连接第一开关管的源极，所述第二开关管的漏极连接外置电源，且第一开关管的漏极和第二开关管的源极相连作为公共母线，第一和第二开关管的栅极分别与所述控制电路的输出端相连；所述控制电路用于对电池和外置电源的状态进行判断，并依据判断结果控制第一和第二开关管同时截止或交替导通。

2.根据权利要求1所述的切换电路，其特征在于：所述控制电路包括一判断模块以及一切换模块，所述判断模块的输入端接收工作模式信号以及外置电源和电池状态检测信号，其输出端连接切换模块的输入端；当所述判断模块判断外置电源正常时，由所述切换模块控制第一开关管截止，第二开关管导通；当所述判断模块判断外置电源有故障且电池正常时，由切换模块控制第二开关管截止，第一开关管导通；当所述判断模块收到的工作模式信号为待机信号时，由所述切换模块控制第一和第二开关管同时关断。

3.根据权利要求2所述的切换电路，其特征在于：所述第二开关管的源、漏极之间并联一分流二极管，所述分流二极管的阳极接第二开关管的漏极，其阴极接第二开关管的阴极。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的切换电路，其特征在于：所述开关管为P沟道MOS管。

5.一种电池与外置电源的切换控制方法，包括以下步骤：

A、判断系统是否开机，若为开机状态，进入步骤B；若为待机状态，控制第一和第二开关管同时关断；

B、判断外置电源是否正常，若外置电源正常，开通第二开关管，关断第一开关管，由外置电源为系统供电；否则进入步骤C；

C、判断电池是否正常，若电池正常，关断第二开关管，开通第一开关管，由电池为系统供电直至外置电源恢复正常；否则给出故障信号和关机信号。

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