用运放做自动OR操作的电源选择器

作者：Analog Devices公司Bob Zwicker

很多系统都必须在两个或以上低压直流输入电源之间做选择，例如有一个外接电源、一个USB(通用串行总线)端口，或一个板载电池。用手动开关当然可以实现这种选择，但最好还是自动的切换方法。一般来说，人们都希望系统供电电源是可用性最高的输入电压。用一种肖特基二极管的OR方法就可以完成这个任务(图1)。糟糕的是，肖特基二极管的正向压降在300mV~600mV范围内(本人建议：可采用并联多个肖特基分流进而降低正向压降)。这个压降会消耗功率，产生热量，降低系统可用的电压。

高效率的电压OR操作只需要一只P沟道或N沟道MOSFET、一只适当的运放，以及少量无源元件。本例描述了对正直流电源轨的电压OR应用。P沟道MOSFET设计适合于工作在3.3V或更高电压的小功率单电源系统，而N沟道MOSFET则适用于较低总线电压或较大电流，以及有合适运放偏置电压的情况。

在N沟道FET设计中，MOSFET漏极流出正电流。在P沟道设计中，电流则来自MOSFET源极。如果采用常见的电流方向(作切换或放大)，则MOSFET漏极的体二极管会破坏整流工作。

首要的设计任务是选择一款合适的MOSFET。MOSFET的最差情况导通电阻必须足够低，使满载电流时的I×R压降也足够低，才能达到设计目标。当5A电流流过一只0.01Ω的MOSFET时，产生50mV的正向压降。一定要考虑到由于R×I2及温升所产生的功耗。

第二个设计任务是选择一款运放。这个运放必须能工作在所有电压下，为MOSFET提供充分的栅极驱动电压。

 

P沟道设计要求采用一种轨至轨的型号。对N沟道设计来说，单电源运放是合适的。要考虑的另外一个重要问题是运放的输入失调电压VOS，总±VOS窗口必须小于MOSFET上要求的最大压降。例如，如果允许满载时有10mV正向压降，则运放的失调电压应不差于±5 mV。


R1/R2、R11/R12和R21/R22构成输入电压分压器，用于将运放输入偏置在略低于所控制输入电压的水平上(图2与图3)。这个偏置必须超过运放的最大失调电压，以确保在施加反向电压时，量产时用的所有运放器件都能正常地关断MOSFET。在P沟道的5V设计实例中，R1与R2将运放反相输入端偏置在输入电压的99.9%(即4.995V)直流处。在稳态工作时，运放用于导通MOSFET，将其它运放的输入保持在相同电压下，使之在运放失调电压的容限内。采用0V失调的完美运放时，轻载电流只能使MOSFET部分增强，因此电路产生一个5mV的MOSFET正整流器压降。这点轻微效果只是R1与R2输入偏置的唯一缺点。如果MOSFET电阻过高，不能在满载时保持5mV，则当MOSFET的输出摆至电源轨时，运放可全增强MOSFET，OR电路为MOSFET提供了全增强的导通电阻。

可以将MOSFET可变的导通电阻看做用于运放检测电流的元件。当你施加反向电压时，MOSFET去增强，I×R压降增加，运放的输出最终停在相应的电源轨，尽力地驱动MOSFET。

在轻载情况以及给定失调电压时，运放尝试使自己电源输出检测的输入端电压，达到其电源输入检测的输入端电压与失调电压之和。开路时，运放没有有意的外在失调。如果运放的失调电压是相反的方向，则当输入电源总线降低到某个低于输出电压总线的电位时，会出现一个相当大的反向截止电流。

图4显示了工作区的电流-电压测试数据。完整的设计(包括有意的失调)产生绿色曲线。等效的相反内部失调与非有意的外在失调则产生蓝色曲线。虽然绿色曲线在轻载时牺牲了一些正向压降，但其正向电压始终小于满载的最大值。有意失调避免在MOSFET中出现大的反向电流。本设计能够以0A电流过渡切换，此时泄漏电流MOSFET的漏极体二极管可能是主要的。

另一方面，无有意失调的蓝色曲线则允许在某些情况下出现大的反向电流。本例显示，在电脑关断MOSFET前，MOSFET上的2mV反向电压产生了大约100mA的反向电流。P沟道和N沟道设计都已经过测试，P沟道设计已量产。