Двусторонний ключ для питания

Схемотехника
Для i3, мне понадобилась такая система: по умолчанию питание берется от батарейки, а когда пользователь подключает USB, прерыватель начинает питаться от USB. Вроде бы, просто. Но чем отключать батарейку? Первая мысль — mosfet'ом, конечно. К сожалению, у мосфетов есть паразитный внутренний диод, который портит всю малину. Вот смотрите:

Полевой транзистор - плохой ключ

Видно, что USB закорочен на батарейку, и тут выживет сильнейший :) Понятно, что это — плохой вариант. Именно для того чтобы увидеть такие моменты, я всегда изображаю паразитный диод в символе транзистора. Опустив свои поиски, покажу готовый результат:

Двусторонний ключ

Идея в том, что один транзисторы блокируют внутренние диоды друг друга. (транзисторы можно поставить и истоками друг к другу, схема все равно будет работать).

Такой ключ может проводить ток в обе стороны. Иногда это не желательно и нужна защита от переполюсовки, как в случае с i3. Если присмотреться, то видно, что левый транзистор играет роль управляемого «идеального диода», но, в отличии от него не проводит ток в обратном направлении, так как закрывается напряжением от USB.

В качестве примера, у нас будет кусок схемы питания i3, в котором используется этот ключ(напряжение батареек (2xAA) 2-3.5в, USB и внешнего выхода — 4.75-5.25в):

Схема питания i3

Итак, с ключом на Q1 и Q2 вы уже знакомы. По умолчанию, ключ закрыт. Когда пользователь нажимает кнопку B1, напряжение на затворе падает и ключ открывается. При подаче питания, запускается процессор, который открывает Q3 и таким образом, при отпускании кнопки, система не выключается. unidk очень удачно называл это «триггер на процессоре».

Через отдельный диод D1, питание от USB смешивается с питанием от батареек. Раздельные диоды для затвора и для подачи питания нужны для того, чтобы напряжение от батарейки само не закрывало свой-же ключ.

От чего сейчас питается прерыватель, он может узнать по напряжению VSupply. Если это напряжение меньше 4в, то это батарейка и можно мерить ее напряжение и экономить питание. Если больше — то это USB.

Эта статья навеяна тем, что недавно я встретил человека в местном магазине радиодеталей, который хотел сделать высоковольтный двунаправленный ключ. Собственно, эта статья и является ответом на его вопрос.

26 комментариев

avatar
а мосфет в другую сторону включить на первой картинке нельзя? или я чего-то недопонял?
avatar
Нельзя, тогда он не будет работать как ключ. Паразитный диод будет постоянно проводить.
avatar
чет не пойму, типа паразитный диод будет проводить в направлении с батарейки на нагрузку? при подключенном usb?
avatar
Ключ не будет закрываться, а устройство не будет отключаться. Ключ не только как переключатель батарейка-USB, но и включает/отключает устройство — посмотри на схему i3.
avatar
аа, вот я затупил, понял теперь. про вкл\выкл проглядел, пардон.
avatar
если честно, то это статья про создание себе проблем и их героического решения. В цепь батарейного питания ставится диод Шоттки, а т. к. напряжение автономного источника ниже, чем напряжение на USB, то ничего отключать не надо.

Я бы поставил всего 1 микросхему и не стал городить кучу дискретных элементов. О преимуществах такого решения даже писать нечего, т. к. перечислять долго.
avatar
На кроме того, что на Шоттки будет падение, которое будет снижать время работы от батареек, дак еще Шотткой отключить прибор нельзя. Ключ не только мультиплексирует питание (именно поэтому он ключ, а не диод), но и отключает прибор :)

А какую микросхему бы ты поставил?
avatar
в среднем 0,35 В разве это много? Зачем диодом отключать прибор? Для чего у тебя стоит повышающий преобразователь с выводом EN, который не используется.

Я бы поставил LTC4415 или LTC2952.
avatar
0.35 — это 16% от емкости батарей — не мало. Тем-более, поставить транзистор не сложнее диода.

С enable тоже не выйдет: напряжение питания контроллера 3.3в, чтобы включить преобразователь на enable нужно подать 90% от питающего напряжения (при питании от USB это — 5в), 90% от 5 — это 4.5, контроллер просто не сможет работать в качестве «триггера». Можно конечно транзистор поставить для сдвига уровней, но это будет не проще, чем то, что сейчас.

LTC4415 или LTC2952 по 6$ — это очень жирно в качестве альтернативы копеечному транзистору.
avatar
Пробую улучшить схему переключения с с основного питания на батарею в старой разработке. Идеальный диод возможно был бы подходящим вариантом, но я не полностью понимаю как он работает: Допустим у нас есть батарея подключенная через один P-канальный MOSFET (выключать питание не нужно), которая питает схему напряжением 3,6В, напряжение затвор-исток 3,6В, транзистор открыт, все хорошо. Затем мы подключаем основной источник питания который подает в схему питание 5В, напряжение затвор-исток только увеличилось, транзистор по-прежнему открыт, только ток через него течет в обратном направлении, т.е. «диод» не закрывается. Для проверки собрал тестовую схемку на IRLML5203 ("-" источника на затвор и сток, "+" на исток через миллиамперметр) и обнаружил что ток действительно отлично течет в обратном направлении при условии что напряжение на истоке достаточно для открывания транзистора (>1,7В). Как на самом деле должен работать идеальный диод?
avatar
А ведь ты прав, спасибо! Поправил статью обратно до схемы с ключом. В ней напряжение с USB закрывает ключ и не дает току течь обратно.
avatar
Вот, написал небольшую заметку о идеальных диодах.
avatar
Спасибо за статью. Эту схему включения успешно используют в ноутбуках. Участок схемы питания ноутбукаНапример
На схеме на AD_DOCK_IN подается напряжение от внешнего зарядного устройства для силовых цепей ноутбука(дежурные цепи подключены отдельно)
avatar
Ха, действительно похоже. Поотрывать бы что-то тем, кто схемы так рисует…
avatar
Специально зарегистрировался, чтобы спросить:
— что такое i3 и где на него целиком глянуть, ибо:
— непонятно что за ключи Q4 и Q5 и диод D6 с питанием от USB и напряжение VSupply, на схеме в посте всё совершенно другое; винегрет какой-то.
avatar
А такой вариант какие имеет недостатки?



Задача — пропускать на выход или 5V_POWER, или USB_POWER
avatar
Главный недостаток — падение на диоде.
avatar
Так ведь в приведенной схеме с двумя мосфетами тоже USB через диод идет.
avatar
а мосфеты еще ставят не в разрыв питания, а в разрыв земли.
avatar
Ставят, но это не в любой схеме допустимо.
avatar
Специально зарегистрировался, чтобы сказать, что вторая схема из приведенных в самом начале поста будет пускать ток в батарейку, если напряжение батарейки меньше напряжения с УСБ, на величину достаточную для открытия правого транзистора плюс падение на диоде в питании усб. Изначально на затворе правого транизстора напряжение батарейки, а на его стоке питание усб минус падение на диоде. Если этой разницы будет достаточно то транзистор откроется и к батарейке будет приложено напряжение УСБ минус падение на диоде минус падение на паразитном диоде. Понятно, что приложение большего напряжения к батарейке будет в итоге подзакрывать правый транзистор, но в итоге установится какое-то равновесное состояние, при этом батарейка будет заряжаться от УСБ.

В схеме i3 указанный недостаток «перевернут» в сторону батарейки. Транзисторы подперты питанием УСБ, но в случае если питание батарейки выше чем питание усб. То преобразователь будет питаться от батарейки, питание усб как можно увидеть защищено диодом D1.

А вот приведенная схема для ноутбука самая правильная на мой взгляд.
avatar
Какие еще феты можно поставить дабы схема работала от двух аккумуляторов АА?(т.е. от 2В).

С оказавшимися под рукой IRLML5103 ключи полностью открываются лишь от 4В(а преобразователь сгорит при 5В...). У них хоть Gate threshold и стоит -1В, от 2В на каждом по вольту просаживается:)
avatar
А какой ток? Скорее-всего, будет проще шоттки поставить.
avatar
150мА в пике, средний 50мА.
У меня на них реализован софт-триггерный ключ, так что феты надо и одной шоткой не отделаешься.

Попробую 6402 найти или иже с ней в закромах… у них тресхолд в два раза меньше.
avatar
Не пойму, как в такой схеме открываются полевики, ведь истоки обоих полевиков получается висят в воздухе, а для открытия надо приложить напряжение между затвором и истоком. На затвор подаем, а на исток как попадает?
avatar
А теперь возьми какой-нибудь полевик не шибко мощный, и ткни прозвонкой сток-затвор, а потом исток-сток, а потом то же самое в обратной полярности. Всё прекрасно откроется и закроется. На то он и полевик, что открывается полем, напряжение вторично.
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.