产品内置和外置电池的切换电路分析

只看该作者 · 2024-8-17 19:57

电池切换电路分析

我们在做电路设计时，有时会遇到产品在定义时需要使用内外电池的规格，就是说产品装壳时要内放一个可充锂电池，这个电池是不可以拆卸的，装好壳后，在壳上还需要留一个电池接口，这是用来接外部可充锂电池的，这个电池是可以拆卸的。很想知道这电路设计是什么样的吧？好的，应你所想，这就将线路图放上来，请看下图：

（图一）内置电池线路

（图二）外置电池线路

看了上面的图后，工程师朋友们，是不是觉得这线路很眼熟？不错，这内外电池切换电路说白了就是由充电IC加MOS管或三极管简单组成的，也没那么复杂，主要就是怎么实现它们的逻辑性。好了，话不多说，线路虽然简单，但还是来分析下这线路吧！给人拓展或为自己加深印象都行。

线路分析：

内外电池切换线路由上面的（图一）和（图二）组成。

先来分析下图一：

位号J20是内置电池接口，可以用连接器也可以直接焊线，电池接口接在U42的输出上，而U42是一颗充电芯片，这颗充电芯片的最大充电电流在800mA左右，这里设计的充电电流是100mA。如下图内置电池通过Q18（ P-MOS管）和D47给整个系统电源供电。

电池线路这里的Q18上为什么要加一个二极管D47呢？以前这样设计电路没加这二极管，但是给部门老大审核线路时都会建议MOS管这里要加一个二极管，但他又没说为什么要这样加？当时就在想，我选用的MOS管是可以通过2A的电流的，整个系统也用不了这样大的电流，这样加了会不会是画蛇添足？所以不加应该也是可以吧！直到有一次遇到了问题，才知道这二极管的真正作用。那是什么问题呢？

就是在电池电量低的情况下，这时系统还在开机中，但我们要插外部电源给其供电，所以在插入电源的瞬间，机器就会掉电关机。产品规格要求是插入外部电源不能影响机器的当然状态。所以经查得就是这MOS管这里在外部电源插入时瞬间关掉了，而它内部的寄生二极管通过的电流未能达到系统正常工作的电流，所以后面的电压瞬间被拉低，而系统芯片是有侦测上图中PWR上的电压，当PWR的电压低于某个值时，就会强制关机。

这问题的解决方法就是在MOS管上加一个二极管。所以在有些场合下这二极管是必须要加的，因此我们在设计这种线路时最好是预留上这个二极管。在实际应用测试中如果没有测到这个问题或客户认为这不是问题，那就可以将其省掉。

再来就是Q18的控制线路，如下图：

首先没有外部电源时，内置电池的正极通过R1356这颗电阻给三极管Q17的基极供电，使得Q17的CE极导通，Q17再通过电阻R1355将MOS管Q18的G极拉低，这样就使得Q18的SD极导通，从而电池就给系统供上电了。当外部电源USB5V插入时，由二极管D23直接将Q18的G极强制拉高，所以Q18的SD极断开，这时因为PWR上的电压高于电池的电压，所以电池的供电电流为0，不会耗电，这样充电芯片就能将这电池充满电了。

差不多同样的道理，当外部电池接入时，会通过BACKUP_VBAT_DET这个网络将三极管Q17的基极强制拉低，所以Q17的CE极不导通，这时因为内置电池的电会通过电阻R1354将Q18的G极电压拉高，所以Q18的SD极不导通，这时内置电池不会给系统供电了。

一般内置电池是用作备用电池，就是当外部电池要更换时，内置电池要保证在更换过程中系统要正常工作，所以一般内置电池的电容量会相对低很多。

下面来分析下图二部分：

位号J21是外置电池的接口。电池接口接在U14的输出上，而U14也是一颗充电芯片，这颗充电芯片的最大充电电流在1A左右，这里设计的充电电流是550mA和887mA，当系统开机时，会通过IO口控制BAT_CHARGE_I网络使得Q13不导通，这时充电芯片的取样电阻只有R302起作用，充电电流为550mA; 当系统关机时， Q13不受控制而由电阻R57将G极拉低而导通，这时电阻R302和R1462并联起作用，由于它们的阻值都是K欧极，所以这里Q13的导通内阻可以忽略，这时的充电电流为887mA。

如下图内置电池通过Q2（ P-MOS管）和D42给整个系统电源供电。

这里的分析方法和前面内置电的一样。

还有控制线路部分，如下图，当外部电源USB5V插入时，由二极管D1直接将Q2的G极强制拉高，所以Q2的SD极断开，由于PWR上的电压高于电池电压，所以外置电池不会耗电。当没有外部电源时，Q2的G极会被电阻R3拉低，所以它的SD极会导通，从而给系统供电。

这里外部电池的接口需要接三根线，其中BACKUP_VBAT_DET这根线是接电池的负极或电池上对地的热敏电阻（NTC），所以当外置电池接入时，会通过BACKUP_VBAT_DET来控制内置电池的供电线路，使其关断。

下面这个检测线路又有什么用处呢？

这个线路的作用是为了让系统知道有没有接入外置电池，当外置电池接入时会使得三极管Q8导通，这时系统芯片IO检测到BATTERY_INSET_DET这个网络为低电平，这时就说明有外置电池接入，然后系统就会将电量检测功能切换到外置电池上来（注：电量检测主要是检测低电，当电池达到低电阀值时会让系统正常关机）。

好了，以上就是内外电池的切换分析，下面还有几个问题需要提下。

问题一：当外置电池接入时，会通过BACKUP_VBAT_DET这个网络来关闭内置电池线路，这里在测试功能时不小心将BACKUP_VBAT_DET接成了电池的正极，这使得三极管Q17一下就被烧坏了，虽然实际使用中基本不会接错，但在拉线测试中会存在隐患，所以这里需要加二极管或电阻隔一下，如下图增加了一个位号为D46的元件：

开始我加的是二极管1N5819，但是客户提出了一个疑问，说这个二极管拉不低Q17的基极，因为它本身的BE极就相当于一个二极管了，听到这个解释我一时也懵了，只知道说我实际测试是没问题的啊，（哎！真失败！被客户这样问下就难住了！能力还是不够啊！），等他走了也想到要使三极管导通，则基极电压低于0.6V就可以了，而1N5819的压降是0.3V左右，所以完全可以用二极管。但后面客户又提出热敏电阻的值可以达到70多欧，用二极管还是有不能拉低的风险，我也就懒得去算了，那就加个电阻吧，这样就算BACKUP_VBAT_DET接到电池正极也不会烧三极管了，因为这样功耗会加在这个电阻上。

问题二：内置电池线路上的二极管D47和Q18内部的寄生二极管，会使得内置电池有耗电的情况出现，那就是当外置电的电压低于内置电池电压相差0.3V（这个电压取决于D47的具体压降）以上时，这时内置电池给系统供电，这时内置电池就会耗电，这样你来我往的情况下直到外置电池提示低电关机后为止。不过，这个在实际使用中应该影响不大。

通过上面的问题，工程师朋友们有什么想法呢？欢迎提出并指正。谢谢！