便携式设备的开关机电源电路设计

一、概述

便携式设备最大的特点是携带方便、可以在任何时间、任何场合进行使用，可以脱离电源线供电，使用电池，且大多产品支持电池的自行更换，这个电量问题经常也是用户体验中遇到的不满意因素之一。

这就对电池和设备功耗设计提出了严格的要求：在开机工作状态下，优化功能模块上电及工作情况，电路中的器件尽可能设置在低功耗模式; 在待机状态下，只保留有必要的功能，其他尽可能休眠或关闭; 在关机状态下，完全无功耗或把功耗降低到极小。

对于关机状态，很多设备可以做到从物理上直接断开，例如采用自锁开关，这样电池没有接入到电路中，是完全没有放电的情况; 但是也有一部分设备，由于功能需求或行业要求，是无法做到从物理上直接断开的，比如一些会对人体产生外部作用的医疗器械，要求在异常情况下，设备具有自动断开电源的功能以实现对人体的保护，这样自锁类的开关就不适用了，需要在电路原理中进行一些特别的设计。

本文介绍一种长待机的可以适用于便携式设置的开关机电源电路。

二、原理图解析

2.1 输入

通常便携式设备设计为可以兼顾支持电池和适配器供电，二者同时存在时互相不能有影响，图中J1是适配器接口，器件采用直流端子，J2是电池的接口插座。 不接适配器只用电池时，J1的2、3脚是短路的，相当于电池插座J2的1脚接地，2脚为正，电路系统经电池保险F2通道供电。 当外部电源适配器插入到J1时，J1的2、3脚断开，使得J2没有回流路径进而不再给电路供电，J1的1脚为正，2脚为地，电路系统通过适配器保险F1通道供电。

保险丝作用是防止电流过大烧损电路板内器件，二极管是防止电源极性反接。 R1、R2组成分压电路，分压后进入AD，监控电源情况，可以根据AD值，实时显示电池的电量。

2.2 开机电路

Q1、Q2、Q3为NPN晶体管，在此电路中工作在导通或截止状态; Q5是P沟道的MOS管，起到电源输入与电路系统的开关作用。

未开机状态下，设置合适的R4、R6，使Q1工作在饱和导通状态，则Q1的集电极为低电平，也使得Q3的基极也处于低电平，即Q3不导通。 Q5的栅极为高电平，由于源极直接连到电源端，则Q5不满足导通条件，处于截止状态，整机系统未上电。

在关机状态下，此电路没有从物理上将电源断开，因此电路一直处于耗电状态，主要耗电的器件是Q1，它是处于导通工作状态; 另外还有R3、R5，直接与电源连接形成回路。 此时根据R3、R5、R6的值，可以大概计算出来关机电流，进而可以估算出待机时间。 例如，电池容量使用1800mAh，电压为6V，R6=100K，R3+R5
= 200K，通过R6的电流为0.06mA，通过R3+R5的电流为0.03mA，则总电流为0.09约为0.1mA，则待机时间为1800mAh/0.1mA =
18000h ≈ 25个月。

网络P-KEY接开机按键，按键按下将P-KEY拉低，使Q1基极为0V进而截止，Q3基极为高电平进而导通，Q3的集电极与Q5栅极连在一起，所以Q5的栅极为0V，则Q5满足导通条件，电源VIN的供电通过Q5这个开关进入其他电路中。

电路系统中的MCU上电后，IO口控制端P-CTL置高，使Q2工作在导通状态，当按键抬起后，P-CTL维持高电平，Q2仍处于导通状态，即Q5的栅极保持在0V，所以电源VIN的供电不会断，整个系统完成开机与上电过程。

原理图中的D3属EMC器件，是瞬态抑制二极管，起到吸收浪涌功率的作用，用来保护电源在静电放电和电快速脉冲群测试中不受影响。

2.3 电源电路

系统开机后，将电压通过U1升压芯片先把电压升高，再通过多个LDO将合适的电压分配给各功能模块。 先将电压升高可以最大的利用电池的电量，避免电量降低时，影响到LDO的输出。 图3中的网络P-CTL与图2中保持Q2工作在导通状态下的网络相同，MCU使用同一个IO口即可。

三、P沟道MOS的选型

3.1 确认选P还是选N

MOS管通常作为开关来使用，如果负载一端接到电源，即负载在高压端，那么MOS管开关只能放到低压端，这种情况采用N沟道的MOS，低压端MOS的源极常接在GND; 如果负载一端接到GND，即负载在低压端，那么MOS管开关放到高压端，这种情况采用P沟道的MOS，高压端MOS的源极常直接连电源。

3.2 确认MOS的电流

ID是指MOS管可持续通过的漏源电流，是在芯片满足散热条件下的参考值，当环境温度升高后，ID会减小;IDM是指MOS的峰值电流，这是一个瞬态值。 在选择参数时，电路稳定工作电流要小于ID且留有一定的余量。

3.3工作损耗和散热

MOS管在工作时会产生开关损耗和导通损耗，转化为热量体现出来。

导通损耗出现的根本是由于MOS是非理想器件，这个主要是由RDS(ON)和工作温度相关，Vgs越大，RDS(ON)越小，所以在器件选型时优先选择满足导通条件下RDS(ON)尽可能小的型号。

开关损耗主要包括两部分：开启过程中同时存在的逐渐降低的VDS和逐渐上升的负载电流产生的损耗、关闭过程中同时存在的逐渐升高的VDS和逐渐下降的负载电流产生的损耗。

关于MOS管的损耗，如果细致研究其实还有很多因素，比如截止时VDS(Off)和IDSS产生的损耗、栅极驱动过程中产生的损耗、体二极管正向导通及反向恢复产生的损耗等。

MOS管的工作损耗是一个综合的、变化的东西，比较复杂，即使计算也不能很准确的得到损耗数值，只能大概评估损耗的量级，所以选型时要根据使用需求和负载综合考虑各种因素; 如果条件允许可以选用双通道的MOS，或者选择增加散热片、使用导热硅胶片等，创造一个很良好的散热环境。