▲ 本文要分析的電路
很多内置有锂電池的便攜電子裝置，比如手機，通常采用這樣的供電方式：
- 1、沒有插入USB電源時，使用内置的锂電池供電。
- 2、當插入USB電源時，切換為由外置的USB電源供電，并對锂電池進行充電。
下圖電路就是實作上述的功能，它來自一款電子書閱讀器（Kindle同類産品）：
這是已量産的電路，成熟穩定，實物電路闆如下圖所示，幾個關鍵的元器件做了标注：
本文要講解的是“外置USB供電與内置锂電池供電的自動切換電路”，是以先把上述電路中不相關的電路隐藏。
也就是隐藏锂電池充電管理、電源濾波等電路：
隐藏後變成這樣：
這一下子，電路變得好簡單，實作電源切換的功能，竟然隻需要一個二極管、一個MOS管、一個電阻！
一、電路說明
将上述的“外置USB供電與内置锂電池供電自動切換電路”整理一下，弄好看點：
功能邏輯是這樣的：
- 1、當插着USB電源時，由外置的USB電源供電，即VBUS對VOUT供電。
- 2、當拔掉USB電源時，切換為由内置的锂電池供電，即VBAT對VOUT供電。
- 3、當重新插入USB電源時，切換為由外置的USB電源供電，即VBUS對VOUT供電。
二、原理分析
假設VBUS的電壓為5V，VBAT的電壓為3.7V，下面開始分析。
1、當插着USB電源時：
VBUS通過肖特基二極管D9到達VOUT。
肖特基二極管的導通壓降約為0.3V，USB電壓VBUS = 5V，是以：
VOUT = 5V - 0.3V = 4.7V
由于VBAT為3.7V，MOS管Q4的s極為4.7V，g極為5V，由此可知：
Vgs = 5V - 4.7V = 0.3V > 0
是以MOS管處于不導通狀态,同時其體二極管也是反向截止。
由于電阻R155的存在，會浪費一些功耗，流過R155的電流為：
5V / 10Kohm = 0.5mA
2、當拔掉USB電源時：
VBUS的電壓會從5V開始往下降，電阻R155起到給VBUS放電的作用。
VBUS的電壓需要快速下降，因為如果下降慢了，會導緻MOS管Q4打開變慢，也就不能很快地切換為電池VBAT供電。
如下圖，假設VBUS緩慢下降到4.9V，即MOS管Q4的g極為4.9V。電池電壓VBAT通過MOS管Q4的體二極管後降低了約0.7V，變為3V，即MOS管的Vgs電壓為：
4.9V - 3V = 1.9V > 0
MOS管仍然不導通，VOUT的供電沒有完全切換為VBAT。
假設VBUS已經下降為1V，如下圖。
則Vgs = 1V - 3V = -2V，MOS管已經逐漸打開。
最終，VBUS會降到0V，MOS管也會完全打開，VOUT切換為用VBAT供電，VOUT電壓變為3.7V：
VBUS接的濾波電容會令其電壓下降緩慢，如果發現VBUS的電壓下降過慢，可以減小R155的阻值。但是這樣會導緻在插入USB電源時，流過R155的電流變大，增加了無謂的功耗。
是以R155的阻值不能過大也不能過小，需根據實際調試的效果來決定。
3、當重新插入USB電源時：
如下圖，MOS管Q4的Vgs = 5V - 4.7V > 0，MOS管不導通，并且其體二極管也是反向偏置。
VOUT切換為用VBUS供電，Vout電壓變為4.7V。
三、性能提升
在拔掉USB電源的瞬間，有沒有可能MOS管Q4來不及打開，導緻VBAT的電壓沒有及時切過來？
是有可能的。
MOS管Q4沒有快速打開，VBAT供電不能及時續上來，會導緻VOUT電壓下降過多，VOUT的負載電路就可能工作異常。如果電路的負載較重，拉取的電流較大，尤其容易出現在供電電源切換時VOUT電壓下降過多的問題。
怎麼辦呢？
- 1、可以加快MOS管打開導通的速度。方法是減小VBUS的濾波電容的容值，減小電阻R155的阻值，這都是讓VBUS快速掉電，進而讓Vgs快點到達令MOS管完全打開的電壓。
- 2、在VOUT增加濾波電容，但是效果不怎麼明顯。
- 3、這是重點！可以給MOS管并聯一個肖特基二極管D1，如下圖所示：
該肖特基二極管D1的正向導通壓降約為0.3V，比MOS管的體二極管要小。在MOS管完全打開之前，VBAT通過肖特基二極管D1對VOUT進行供電，可以緩解VOUT電壓下降過多的問題。
這個方法非常實用，該電路與方法已經被申請了實用新型專利。其實很多再普通不過的電路都被申請了實用新型專利，盡管這些電路被大衆長期使用在先，具體就不展開了。
四、應用案例
除了上述的電子書閱讀器有應用之外，還有大量的産品使用了這個切換電路。
比如MicroPython領域著名的01Studio公司，其出品的多款開發闆都有這個切換電路。
以其中的一款型号為“pyWiFi-ESP32”的開發闆舉例，其電源部分的電路圖如下：
其中，電源切換相關的電路在這裡：
标注對應的實物圖：