CN102593946B - 基于功率mosfet应用的双电源自动切换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，由一个电压检测器、三个三极管、两个P沟道的功率MOSFET、两个二极管、两个发光二极管、以及若干电阻元件组成的。VIN1和VIN2为两组工作电源的输入端，其中VIN1接主供电电源，VIN2接备用供电电源；VOUT为电源切换电路的输出端，接负载设备；GND为地线。在工作状态时，主电源和备用电源同时通电，VIN1=VIN2。在电压检测器的检测端加入分压电阻，使被测电压尽量靠近检测阀值。当主电源电压发生跌落的时候就可以第一时间驱动电压检测器完成电源自动切换工作。本发明结合功率MOSFET的工作特性，配合电压检测器，采用功率MOSFET做切换开关，当主电源电压下降到电源检测器设定的阀值电压以下或断电时，备用电源能自动切换。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源自动切换电路，具体的说是一种基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路。
背景技术
通常一些关键设备的应用是需要设置备用电源的，当主电源不正常或断电时，备用电源要不间断地自动切换，以保证设备的正常工作。最常用的做法是继电器切换和二极管并联切换方式，但这两种切换方式都存在弊端。首先是切换时间问题，通常继电器的反应时间都是ms级的，这就需要在电源端配备足够大容量的储能电容以防止设备在电源切换过程中重启，显然这在设备应用电流较大的场合中是不现实的；其次是压降问题，二极管并联方式会给主次两个通道都带来问题，二极管的管压降会造成供电电压过低引起设备异常，特别是在一些低电压工作场合（如5V、3.3V），所以典型二极管压降（0.7V）会使电源供电电压过低，对低压电源供电的存储器IC容限问题更严重，即使使用肖特基二极管（0.2V～0.5V）之类压降较低的二极管,也只是在一定程度上使情况有所改善，解决不了根本问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术提到两个技术问题，提供一种基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，结合功率MOSFET的工作特性，配合电压检测器，采用功率MOSFET做切换开关，当主电源电压下降到电源检测器设定的阀值电压以下或断电时，备用电源能自动切换。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，包括两个工作电源的输入端VIN1和VIN2，一个电压检测器U1，三个三极管T1、T2和T3，两个P沟道功率MOSFETQ2和Q4，两个二极管Q1和Q3以及电阻；工作电源输入端VIN1接主供电电源的输出端，工作电源输入端VIN2接备用供电电源的输出端；工作电源输入端VIN1通过电阻R1接地线GND，电阻R1起到快速放电的作用，保证在电源切换的时候，电压检测器U1的输入端电压能够在最短的时间内降到阀值以下从而驱动输出端的电平变换完成电源切换工作；工作电源输入端VIN2通过电阻R2接地线GND，工作电源输入端VIN2通过电阻R5和R6接地线GND，同时电阻R5和电阻R6的联接端接三极管T3的基极；工作电源输入端VIN1通过电阻R9和R10接地线GND，同时电阻R9和电阻R10的联接端接电压检测器U1的2脚输入端，电阻R9和电阻R10的作用是分压，把电压检测器U1的2脚输入端电压调整到尽量靠近阀值，保证在最短的时间内完成电平变换；电压检测器U1的3脚接地线GND，1脚输出端接三极管T1的基极，同时也通过上拉电阻R3接工作电源输入端VIN1，并通过下拉电阻R4接地线GND，其中电阻R3的作用是保证电压检测器U1在不工作的情况下，输出端保持高电平（由于电压检测器是开漏输出，所以这个上拉电阻是必须的），电阻R4起到分压和放电的作用；工作电源输入端VIN1最终接到二极管Q1的正极和功率MOSFETQ2的漏极，三极管T1的集电极接功率MOSFETQ2的栅极，同时通过电阻R7接功率MOSFETQ2的源极和二极管Q1的负极同时也是整个电路的输出端VOUT，其中二极管Q1和功率MOSFETQ2并联起保护作用，电阻R7是保证当三极管T1截止的时候功率MOSFETQ2的栅极和源极保持等电位截止状态；三极管T1的发射极接三极管T2的基极，三极管T2的发射极接地线GND，三极管T2的集电极接三极管T3的基极，三极管T3的集电极接功率MOSFETQ4的栅极同时也通过电阻R8接功率MOSFETQ4的源极和二极管Q3的负极同时也是整个电路的输出端VOUT，这三个三极管T1、T2和T3串联联接用于保证状态联动，当三极管T1导通的时候，三极管T2也导通，三极管T3截止，同时拉低功率MOSFETQ2的栅极电平，抬高功率MOSFETQ4的栅极电平使功率MOSFETQ2导通功率MOSFETQ4截止，设备由工作电源输入端VIN1供电，工作电源输入端VIN2停止供电；相反当电压检测器U1检测到低电平时，三极管T1截止，三极管T2也截止，三极管T3导通，这时功率MOSFETQ2的栅极和源极等电位截止，而功率MOSFETQ4的栅极电平被拉成低电平，功率MOSFETQ4导通完成电源切换，设备由工作电源输入端VIN2供电，工作电源输入端VIN1停止供电。
两个与功率MOSFET并联的二极管的主要作用有两个，首先是起到备用作用，在功率MOSFET损坏或不能正常工作的情况下，电源可以通过二极管直接向设备供电，保证设备不断电；其次是起到保护作用，当电源通过二极管向用电设备直接供电的时候，利用二极管反向截止特性有效防止双电源之间的电流倒灌损坏电源。
这样，当电压检测器U1检测端检测到的电压大于其检测电压阀值时，则其输出端截止，通过上拉电阻R3输出高电平,这个高电平使三极管T1饱和导通，从而使三极管T2也饱和导通，最终使功率MOSFETQ2的栅极和三极管T3的基极都为低电平，三极管T3截止，功率MOSFETQ4的栅极和源极等电位截止，电源电流通过大功率二极管流向功率MOSFET Q4的源极，功率MOSFETQ2的源极电压等于功率MOSFETQ4的源极电压约等于主供电电源电压减去二极管的压降，由于功率MOSFETQ2的栅极为低电平，功率MOSFETQ2饱和导通，因为功率MOSFETQ4截止，功率MOSFETQ2的导通电阻很小，它的管压降远比并联的二极管的压降小得多，所以主电源通过功率MOSFETQ2向负载设备供电；
当主电源电压下降导致电压检测器U1检测端检测到的电压小于其检测电压阀值时，电压检测器U1输出端导通，输出低电平，这个低电平使三极管T1截止，从而使三极管T2也截止，最终使功率MOSFETQ2的栅极和三极管T3的基极都为高电平，功率MOSFETQ2的栅极和源极等电位截止，三极管T3饱和导通，使功率MOSFETQ4的栅极为低电平，备用电源电流通过二极管流向功率MOSFETQ4的源极，所以功率MOSFETQ4的源极电压等于功率MOSFETQ2的源极电压约等于备用电源电压减去二极管的压降，而由于功率MOSFETQ4的栅极为低电平，功率MOSFETQ4饱和导通，因为功率MOSFETQ2截止，功率MOSFETQ4的导通电阻很小，它的管压降远比并联的二极管的压降小得多，所以备用电源通过功率MOSFETQ2向负载设备供电；
当主电源断电时，电压检测器检测端无输入电压，输出端通过下拉电阻强制为低电平，三极管T1同样截止，其工作情况与上面的电压下降的情况基本一致。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，电压检测器U1的阀值选择低于电源标称输出电压值0.5V。考虑到电源接入负载后可能存在输出电压小幅下降的可能，同时也要考虑到电压检测器检测阀值的合理浮动范围，所以电压检测器U1的阀值一般选择低于电源标称输出电压值0.5V左右为宜。由于通常情况下，当电源接入负载后电压值都会有一定幅度的下降，所以在选择电压检测器件的时候一定要考虑到这一点，如果选用了检测阀值过高的检测器件有可能导致主电源刚开始通电电压值就下降到检测阀值以下从而驱动电压检测器的输出一直处于低电平状态，这样一来主供电电源就处于关断状态，设备只能由备用电源供电，切换电路失去作用。
前述的基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，电压检测器U1选择HT7044，检测电压阀值为4.4V。
前述的基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，工作电源输入端VIN1经过限流电阻R11接发光二极管L1的正极，发光二极管L1的负极接地线GND，电阻R11用于限制流过发光二极管L1的电流大小，保证发光二极管L1工作在安全电流范围内；工作电源输入端VIN2经过限流电阻R12接发光二极管L2的正极，发光二极管L2的负极接地线GND，电阻R12用于限制流过发光二极管L2的电流大小，保证发光二极管L2工作在安全电流范围内；两个发光二极管用于起指示作用，正常工作情况下两个发光二极管都是点亮的，当其中任意一路电源发生异常时，相对应得发光二极管熄灭提示及时维修或替换。
本发明的有益效果是：本发明结合功率MOSFET的工作特性，采用功率MOSFET做切换开关，配合电压检测器，当主电源电压下降到电源检测器设定的阀值电压以下或断电时，备用电源能自动切换，可以同时解决上面提到两个问题。首先，MOSFET的开关频率非常快（ns级），完全可以做到设备工作不间断自动切换；其次，MOSFET的管压降极低，基本可以控制在0.1V以内，部分器件甚至可以做到50mV以内，基本可以做到电源电压无损切换。当用电设备初次上电的时候由主电源供电，在设备工作过程中一旦主供电电源发生异常跌落或断电的时候，能够在保持设备正常工作不受影响的情况下自动切换至备用电源供电，同样当主供电电源恢复正常后，能够再由备用电源不间断自动切换到主电源供电，切换过程中可以保证供电设备不掉电、不重启。
附图说明
图1是本发明的电路图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，电路如图1所示，包括两个工作电源的输入端VIN1和VIN2，一个电压检测器U1，三个三极管T1、T2和T3，两个P沟道功率MOSFETQ2和Q4，两个二极管Q1和Q3以及电阻；工作电源输入端VIN1接主供电电源的输出端，工作电源输入端VIN2接备用供电电源的输出端；工作电源输入端VIN1经过限流电阻R11接发光二极管L1的正极，发光二极管L1的负极接地线GND，电阻R11用于限制流过发光二极管L1的电流大小，保证发光二极管L1工作在安全电流范围内；工作电源输入端VIN2经过限流电阻R12接发光二极管L2的正极，发光二极管L2的负极接地线GND，电阻R12用于限制流过发光二极管L2的电流大小，保证发光二极管L2工作在安全电流范围内；两个发光二极管用于起指示作用，正常工作情况下两个发光二极管都是点亮的，当其中任意一路电源发生异常时，相对应得发光二极管熄灭提示及时维修或替换；工作电源输入端VIN1通过电阻R1接地线GND，电阻R1起到快速放电的作用，保证在电源切换的时候，电压检测器U1的输入端电压能够在最短的时间内降到阀值以下从而驱动输出端的电平变换完成电源切换工作；工作电源输入端VIN2通过电阻R2接地线GND，工作电源输入端VIN2通过电阻R5和R6接地线GND，同时电阻R5和电阻R6的联接端接三极管T3的基极；工作电源输入端VIN1通过电阻R9和R10接地线GND，同时电阻R9和电阻R10的联接端接电压检测器U1的2脚输入端，电阻R9和电阻R10的作用是分压，把电压检测器U1的2脚输入端电压调整到尽量靠近阀值，保证在最短的时间内完成电平变换；电压检测器U1的3脚接地线GND，1脚输出端接三极管T1的基极，同时也通过上拉电阻R3接工作电源输入端VIN1，并通过下拉电阻R4接地线GND，其中电阻R3的作用是保证电压检测器U1在不工作的情况下，输出端保持高电平（由于电压检测器是开漏输出，所以这个上拉电阻是必须的），电阻R4起到分压和放电的作用；工作电源输入端VIN1最终接到二极管Q1的正极和功率MOSFETQ2的漏极，三极管T1的集电极接功率MOSFETQ2的栅极，同时通过电阻R7接功率MOSFETQ2的源极和二极管Q1的负极同时也是整个电路的输出端VOUT，其中二极管Q1和功率MOSFETQ2并联起保护作用，电阻R7是保证当三极管T1截止的时候功率MOSFETQ2的栅极和源极保持等电位截止状态；三极管T1的发射极接三极管T2的基极，三极管T2的发射极接地线GND，三极管T2的集电极接三极管T3的基极，三极管T3的集电极接功率MOSFETQ4的栅极同时也通过电阻R8接功率MOSFETQ4的源极和二极管Q3的负极同时也是整个电路的输出端VOUT，这三个三极管T1、T2和T3串联联接用于保证状态联动，当三极管T1导通的时候，三极管T2也导通，三极管T3截止，同时拉低功率MOSFETQ2的栅极电平，抬高功率MOSFETQ4的栅极电平使功率MOSFETQ2导通功率MOSFETQ4截止，设备由工作电源输入端VIN1供电，工作电源输入端VIN2停止供电；相反当电压检测器U1检测到低电平时，三极管T1截止，三极管T2也截止，三极管T3导通，这时功率MOSFETQ2的栅极和源极等电位截止，而功率MOSFETQ4的栅极电平被拉成低电平，功率MOSFETQ4导通完成电源切换，设备由工作电源输入端VIN2供电，工作电源输入端VIN1停止供电。两个与功率MOSFET并联的二极管的主要作用有两个，首先是起到备用作用，在功率MOSFET损坏或不能正常工作的情况下，电源可以通过二极管直接向设备供电，保证设备不断电；其次是起到保护作用，当电源通过二极管向用电设备直接供电的时候，利用二极管反向截止特性有效防止双电源之间的电流倒灌损坏电源。
考虑到电源接入负载后可能存在输出电压小幅下降的可能，同时也要考虑到电压检测器检测阀值的合理浮动范围，所以电压检测器U1的阀值一般选择低于电源标称输出电压值0.5V左右为宜。压检测器U1选择HT7044，检测电压阀值为4.4V。由于通常情况下，当电源接入负载后电压值都会有一定幅度的下降，所以在选择电压检测器件的时候一定要考虑到这一点，如果选用了检测阀值过高的检测器件有可能导致主电源刚开始通电电压值就下降到检测阀值以下从而驱动电压检测器的输出一直处于低电平状态，这样一来主供电电源就处于关断状态，设备只能由备用电源供电，切换电路失去作用。
主电源电压正常（VIN1=5V）：
工作电源输入端VIN1的电压使发光二极管L1点亮（指示该路电源正常），工作电源输入端VIN2的电压使发光二极管L2点亮（指示该路电源正常）。电压检测器U1为CMOS型开漏输出器件（低有效），电阻R3为上拉电阻，电压检测器U1的检测电压阀值为4.4V，当其检测端（2脚）检测到的电压大于4.4V时，则其输出端（1脚）内部MOS管截止，通过上拉电阻R3输出高电平,这个高电平使三极管T1饱和导通，三极管T1的发射极与三极管T2的基极相连，从而使三极管T2也饱和导通，最终使功率MOSFETQ2的栅极和三极管T3的基极都为低电平。三极管T3截止，功率MOSFETQ4的栅极和源极等电位截止；电源电流通过大功率二极管流向功率MOSFET Q4的源极，所以功率MOSFETQ2的源极电压等于功率MOSFETQ4的源极电压约等于主电源电压（或备用电源电压）减去大功率二极管的压降（5V-0.7V=4.3V）。而由于功率MOSFETQ2的栅极为低电平，所以-VGS-≈4.3V，功率MOSFETQ2饱和导通，因为功率MOSFETQ4截止，功率MOSFETQ2的导通电阻很小，它的管压降远比并联的大功率二极管的压降小得多，所以主电源通过功率MOSFETQ2向负载设备供电。
主电源电压下降或断电：
当主电源电压下降导致电压检测器U1检测端（2脚）检测到的电压小于4.4V的时候电压检测器U1输出端（1脚）内部MOS管导通，输出低电平。这个低电平使三极管T1截止，三极管T1的发射极与三极管T2的基极相连，从而使三极管T2也截止，最终使功率MOSFETQ2的栅极和三极管T3的基极都为高电平。功率MOSFETQ2的栅极和源极等电位截止，三极管T3饱和导通，使功率MOSFETQ4的栅极为低电平，备用电源电流通过二极管流向功率MOSFETQ4的源极，所以功率MOSFETQ4的源极电压等于功率MOSFETQ2的源极电压约等于备用电源电压减去二极管的压降（5V-0.7V=4.3V）。而由于功率MOSFETQ4的栅极为低电平，所以-VGS≈4.3V，功率MOSFETQ4饱和导通，因为功率MOSFETQ2截止，功率MOSFETQ4的导通电阻很小，它的管压降远比并联的二极管的压降小得多，所以备用电源通过功率MOSFETQ2向负载设备供电。
当主电源断电时，发光二极管L1熄灭，电压检测器检测端无输入电压，输出端通过下拉电阻强制为低电平，三极管T1同样截止，其工作情况与上面的电压下降的情况基本一致。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1.基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，其特征在于：包括两个工作电源的输入端VIN1和VIN2，一个电压检测器U1，三个三极管T1、T2和T3，两个P沟道功率MOSFETQ2和Q4，两个二极管Q1和Q3以及电阻；所述工作电源输入端VIN1接主供电电源的输出端，工作电源输入端VIN2接备用供电电源的输出端；所述工作电源输入端VIN1通过电阻R1接地线GND，电阻R1起到快速放电的作用，保证在电源切换的时候，电压检测器U1的输入端电压能够在最短的时间内降到阀值以下从而驱动输出端的电平变换完成电源切换工作；所述工作电源输入端VIN2通过电阻R2接地线GND，所述工作电源输入端VIN2通过电阻R5和R6接地线GND，同时电阻R5和电阻R6的联接端接三极管T3的基极；所述工作电源输入端VIN1通过电阻R9和R10接地线GND，同时电阻R9和电阻R10的联接端接电压检测器U1的2脚输入端，电阻R9和电阻R10的作用是分压，把电压检测器U1的2脚输入端电压调整到尽量靠近阀值，保证在最短的时间内完成电平变换；电压检测器U1的3脚接地线GND，1脚输出端接三极管T1的基极，同时也通过上拉电阻R3接工作电源输入端VIN1，并通过下拉电阻R4接地线GND，其中电阻R3的作用是保证电压检测器U1在不工作的情况下，输出端保持高电平，电阻R4起到分压和放电的作用；工作电源输入端VIN1最终接到二极管Q1的正极和功率MOSFETQ2的漏极，三极管T1的集电极接功率MOSFETQ2的栅极，同时通过电阻R7接功率MOSFETQ2的源极和二极管Q1的负极同时也是整个电路的输出端VOUT，其中二极管Q1和功率MOSFETQ2并联起保护作用，电阻R7是保证当三极管T1截止的时候功率MOSFETQ2的栅极和源极保持等电位截止状态；三极管T1的发射极接三极管T2的基极，三极管T2的发射极接地线GND，三极管T2的集电极接三极管T3的基极，三极管T3的集电极接功率MOSFETQ4的栅极同时也通过电阻R8接功率MOSFETQ4的源极和二极管Q3的负极同时也是整个电路的输出端VOUT，这三个三极管T1、T2和T3串联联接用于保证状态联动，当三极管T1导通的时候，三极管T2也导通，三极管T3截止，同时拉低功率MOSFETQ2的栅极电平，抬高功率MOSFETQ4的栅极电平使功率MOSFETQ2导通功率MOSFETQ4截止，设备由工作电源输入端VIN1供电，工作电源输入端VIN2停止供电；相反当电压检测器U1检测到低电平时，三极管T1截止，三极管T2也截止，三极管T3导通，这时功率MOSFETQ2的栅极和源极等电位截止，而功率MOSFETQ4的栅极电平被拉成低电平，功率MOSFETQ4导通完成电源切换，设备由工作电源输入端VIN2供电，工作电源输入端VIN1停止供电。
2.如权利要求1所述的基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，其特征在于：所述电压检测器U1的阀值选择低于电源标称输出电压值0.5V。
3.如权利要求2所述的基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，其特征在于：所述电压检测器U1选择HT7044，检测电压阀值为4.4V。
4.如权利要求1所述的基于功率MOSFET应用的双电源自动切换电路，其特征在于：所述工作电源输入端VIN1经过限流电阻R11接发光二极管L1的正极，发光二极管L1的负极接地线GND，电阻R11用于限制流过发光二极管L1的电流大小，保证发光二极管L1工作在安全电流范围内；所述工作电源输入端VIN2经过限流电阻R12接发光二极管L2的正极，发光二极管L2的负极接地线GND，电阻R12用于限制流过发光二极管L2的电流大小，保证发光二极管L2工作在安全电流范围内；两个发光二极管用于起指示作用，正常工作情况下两个发光二极管都是点亮的，当其中任意一路电源发生异常时，相对应得发光二极管熄灭提示及时维修或替换。
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