Cambiar entre batería y alimentación USB

Siguiendo con una pregunta anterior , estoy buscando un circuito en el que se alimente desde USB cuando esté disponible y use la batería cuando el USB no esté enchufado.

Quiero que la caída de voltaje sea mínima, cero si es posible. Por lo tanto, no es posible usar diodos oring. Los circuitos integrados oring de alimentación mosfet mencionados en la respuesta son extremadamente costosos (4 $ por 1K) aunque tienen una caída de voltaje baja.

Estoy buscando una solución discreta donde pueda construir con interruptores simples o incluso un LDO económico. No traté de construirlo, pero pensé que podría usar la existencia de Vbus para hacer un cambio simple para controlar uno de LDO desde VBus, el otro desde VBat.

ACTUALIZAR

  • Idealmente, se desea una caída cero, sin embargo, se pueden tolerar hasta 100 mV.

  • Mi sistema tiene 4 baterías AA, por lo que podría haber casos donde el voltaje de la batería sea mayor a 5V, por eso me enfoco en la existencia de VBus. La pequeña caída proviene del voltaje de funcionamiento de uno de los circuitos integrados, debe ser de 3,5 V (mín.) y la mayor caída de voltaje consume la vida útil de la batería. (es decir, 4 baterías, 0,9 cada una, 3,6 V, caída de 100 mV, puedo exprimir las baterías). Si hay una caída de 0,7 V, no puedo utilizar toda la energía de la batería. (Tengo que apagar el sistema en algún momento para garantizar un funcionamiento adecuado, pero a las baterías todavía les queda mucha batería)

por ejemplo, si Vout es 4.5V - 5V y la batería es 4 x AA Alklaine, entonces la batería necesita un regulador mientras está por encima de 5V y funciona hasta 4.5V + cualquier caída de LDO. Cuando la batería ~= 5V cuando USb está presente, una comparación simple no hace que todos los USB se hagan cargo, ya que el sistema VUSB < Vbattery.ie PUEDE ser complejo de definir. La respuesta puede ser simple de implementar pero no trivial en concepto.
El requisito es fácil de cumplir si sabes lo que es. es decir, la pregunta es buena pero no completa. Usted dice que no puede tolerar una caída de Schottly, pero luego habla de LDO, lo que implica al menos alguna caída. ¿Cuál es el (1) voltaje de salida requerido y (2) (tolerable) al sistema, por ejemplo, 5V, 4-5V, 3.3V, 3.3-6V. | Que bateria se usa. Química. ¿número de celdas? ¿Vbattery estará por debajo de VUSB cuando el USB esté activo? la bateria es recargable? ¿Puede o debe el USB recargar la batería? ¿El cambio debe ser continuo o el sistema puede fallar en el cambio? | Todas esas preguntas afectan la selección de la mejor solución.
@RussellMcMahon, es posible que esté viendo esto de manera incorrecta. Mi pensamiento es, si hay USB presente, reduzca el LDO de la batería y alimente el USB. Podemos ver si el USB está presente a través de VBus, no se necesita comparación de voltaje. Encendido/apagado sencillo. Sin embargo, no soy lo suficientemente bueno para dibujar ese circuito, de ahí la pregunta.
Puede que tengas razón. PUEDO estar viéndolo de la manera incorrecta. Pero, ¿lo soy? Si no sabe y puede responder a mis preguntas, ¿por qué no hacerlo? Por ejemplo, ¿qué pasa si alguien usa un suministro USB que tiene alimentación en los rieles de alimentación +/- y nada más (lo que puede suceder, independientemente de las especificaciones). Si no le importa si su dispositivo falla cuando esto sucede, no hay problema. Si desea que funcione lo mejor posible, entonces saber todo lo posible ayuda.
Volví a mirar mis preguntas. Comenzar en "¿Cuál es el (1) ..." a "... cambio" todavía parece relevante y pensé que podría responder fuera de su cabeza. Sus respuestas pueden ser "no sé" o "no me importa", pero si desea satisfacer su necesidad, entonces necesitamos saber cuál es. Puedo proporcionar un circuito que hará casi cualquier cosa, siempre que conozca las especificaciones de "casi cualquier cosa".
@Russell: la actualización responde las únicas preguntas que me parecen relevantes. Las especificaciones son para funcionar desde USB cuando esté disponible y batería cuando no lo esté, con una caída de <100 mV. Saber por qué no parece necesario en este caso.
@Frank: ¿a qué respuesta te refieres? Esta respuesta , la única que parecía hacer referencia a los muxes de potencia, se vincula con el LTC4412 , $ 1.59 en cantidad 100, así como la parte Maxim de $ 4. Hay muchos de estos circuitos integrados, como las piezas de la serie TPS2110 que he usado antes (también <$2), entrada máxima de 5,5 V) y otras 316 de Digikey .
Kevin - "... para mí" - de hecho :-). FWIW si 3,5 V es aceptable, entonces 3,5/4 = 0,875 v/celda. Agregue, digamos, una caída Schottky de 0,4 V (podría ser menos) y obtenga 0,975 V/celda. La energía restante en 0,85 a 0,95 V en un alcalino típico es un % MUY pequeño de la energía total de la batería. El ahorro de minutos en el uso de energía en otros lugares abrumaría por completo esto. por ejemplo, un convertidor reductor agregaría poco pero mucho más que lo anterior.

Respuestas (2)

A continuación se muestra un circuito que hará lo que se quiere, o tanto como se ha revelado.

Este circuito es mucho más simple de lo que parecía que iba a ser necesario, debido a la revelación de que la fuente de alimentación USB podría acomodar fácilmente un "dioe de bloqueo" Schottky y aún así cumplir con el requisito de Vout. Si este diodo hubiera tenido una caída de voltaje demasiado alta para ser aceptable, entonces se habría necesitado un circuito con retardos de tiempo y detección de la dirección del flujo de corriente. Puede ser sorprendente cuánta diferencia puede hacer un poco más de información para la solución de un problema.

Alimentación de batería en la parte superior. Alimentación USB en la parte inferior.
La alimentación USB se alimenta a la carga a través del diodo Schottky D1. La energía se puede alimentar a través de Ja y el regulador LDO oa través de JB, según se desee.

Si se usa alimentación a través de JB, el LDO debe sobrevivir con voltaje externo en su salida cuando no tiene entrada. Si es necesario (depende de LDO), agregar otro diodo Schottky a través de Ja "apuntando hacia arriba" aplicaría el mismo voltaje a ambos lados del LDO y minimizaría la corriente de reposo (en la mayoría de los casos) cuando se usa la alimentación USB. Si es absolutamente necesario, otro FET podría usarse para bloquear la alimentación USB de LDO, pero no debería ser necesario. LDO podría colocarse por encima de Q3 PERO entonces la batería suministra corriente de reposo LDO en todo momento = pobre.

Cuando el voltaje del USB está ausente Q3 = P Canal MOSFET es activado por R4, alimentando el voltaje de la batería a LDO y de allí a Vout.

Cuando el voltaje USB está presente, R2/R3 enciende Q1 y esto enciende Q2 (generalmente retenido por R1), lo que sujeta la puerta Q3 en alto y la apaga, deshabilitando así la alimentación de la batería. La alimentación USB se alimenta a través de D1, ya sea a través de Ja y LDo o Jb como se indica arriba.

Corriente de la batería cuando está conectado por USB:

Se cambió R1, R4, R5 a 1 megaohmio nominal cada uno para reducir la carga de la batería cuando se usa el USB. Un pequeño MOSFET para Q2 y/o algo más de pensamiento reducirá la corriente de espera requerida.

USB encendido, Q1 encendido, aproximadamente 5 uA a través de R5 para encender Q2. Aproximadamente 5 uA a través de R4 para apagar Q3. R4 probablemente puede ser 10M si la respuesta lenta está bien. (En R4 = 10 megaohmios, si la capacidad de la puerta en Q3 es, digamos, 10 nF, entonces la constante de tiempo para encender = RC = 1E7 x 10E-9 =~ 0,1 segundos. Dependiendo del umbral de la puerta =FET, PUEDE tomar algunas décimas de segundo para batería para encenderse cuando el USB está desenchufado. Esto podría desconectar el cct alimentado a menos que se proporcione un límite de salida lo suficientemente grande. En R4 = 1 m, la constante de tiempo es de aproximadamente 10 milisegundos y sería suficiente un tipo de límite "habitual" en el riel de salida.

Se puede "afinar". Q1 encendido elimina el voltaje de R1. 10 uA en reposo cuando el USB está encendido =~ 90 mAh/año. Esto es aproximadamente el 3% de la capacidad de la batería. Pequeño pero molesto.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Q1, Q2 = casi cualquier bipolar de gominola. Q3 = MOSFET de canal P. Vumbral << Vbatería. D1 = Schottky, por ejemplo, 1N5817. LDO para adaptarse.

Enrolle su propio LDO con MOSFET y, por ejemplo, TLV431 puede tener alrededor de 100 uA en reposo cuando se ejecuta y esencialmente cero voltaje de caída. Puede ser mucho más bajo con un diodo de referencia Iq más bajo.

PERO

Cuando puede obtener, por ejemplo, el MUY bueno TC2104 LDO de Microchip por menos de 50 centavos en 1, hacer el suyo propio tiene menos sentido.
Añadido en octubre de 2001: el TC2104 parece haber desaparecido. La serie LM293x está ampliamente disponible; consulte, por ejemplo , las listas de Digikeys aquí

O bien, aquí están los LDO con 0,1 V o menos de voltaje de caída - Cantidad de listados de Digikey 1.

Agregado el 9/2015 Kar preguntó

... ¿por qué se necesitan los BJT?
¿Por qué no tener un MOSFET y un diodo y listo?

ingrese la descripción de la imagen aquí

@Kar Buena pregunta.
La solución MOSFET es buena, pero requiere un poco más de diseño de lo que parece, mientras que la solución bipolar utiliza algunos componentes más, pero es más fácil garantizar el funcionamiento en todas las condiciones.

Para usar el MOSFET como se muestra, el Vgsth del FET debe elegirse para adaptarse.
El voltaje máximo de la batería (suponiendo que sus celdas AA sean alcalinas) es de 1,65 V (celdas nuevas) x 4 = 6,6 V.
En algunos casos, incluso tal vez 1.655 V, digamos 6.8 V para 4.
USB es decir 5.3 V máximo cuando está encendido y 0 V cuando está apagado después de que se descarguen los capacitores.
Pero lo crítico aquí no es USB Vmax sino USB_on_min
USB_on_min = digamos 4.8V.
Bajo esa condición, FET debe estar apagado, por lo que
FET Vgs = (6.8-4.8) =~~~~ 2V en el peor de los casos.
El FET NO DEBE encenderse a Vgs = 2V.
El mínimo de la batería es decir 4V y el USB bajo cae a 0V "después de un tiempo", por lo que FET debe encenderse en Vgs = 4V. Eso coloca al FET Vgs_off_max y Vgs_on_min en un rango bastante estrecho de 2 a 4V.
Eso es ciertamente factible con la elección correcta de FET, pero la hoja de datos debe verificarse para garantizar que la distribución del peor de los casos se encuentre en el rango deseado.
¡El diseñador debe ser consciente de que se necesita diseño!

En el caso bipolar, el USB Von_min se adapta muy fácilmente a Q1 y, si se desea, puede producirse un apagado total cuando V_USB es, por ejemplo, 2 V, por lo que el cambio a batería está mejor definido.
Entonces, en general, la adición bipolar agrega 2 x Q y 4 x R (pequeño pero no trivial) en aras de una mejor flexibilidad y capacidad de diseño.
PERO la única solución MOSFET es buena siempre que se entienda correctamente la complejidad que acompaña a la simplicidad.

Una arruga interesante que no creo que su circuito considere es la posibilidad de que VBUS esté presente, pero no lo suficientemente alto como para suministrar VOUT. Otro problema es que si VBATT cae demasiado bajo, el diodo 'intrínseco' en Q3 conduciría corriente a la batería (malo). Invertir Q3 significaría que si VBATT es más que una caída de diodo por encima de VBUS, la batería suministraría corriente en preferencia al USB. No estoy seguro de cuál es la mejor manera de evitar esas arrugas sin que VBATT tenga que pasar por dos MOSFET, o un BJT, o un MOSFET y un diodo.
Por otro lado, si uno tiene un circuito de salida al que no le importará funcionar a un voltaje ligeramente más alto cuando VBUS está presente, y uno tiene reguladores lineales que simplemente abrirán el circuito cuando el voltaje de salida sea más alto que el voltaje regulado, uno podría simplemente tener un LDO alimentado por VBUS y otro alimentado por VBATT, y configurar el VBUS para un voltaje ligeramente más alto.
@supercat: dice que Vrequired es un poco más de 3.5V y Vbus = USB. USB legal siempre será >>> suficiente.| Correcto: la conducción inversa Q3 es un problema, pero solo si se usa Ja. Esto necesita decir Vbat <= alrededor de 4.4V. Como señalé, se puede agregar un segundo FET y controlarlo fácilmente. La carga alcalina es más aceptable de lo que se puede imaginar :-). | Hizo todo lo posible para decir que no quería usar un diodo en la batería cct. Creo que estaría bien y hace que cct sea trivial.etc.
Un dispositivo USB legal siempre suministrará VBUS cuando esté activo, pero no creo que eso signifique que los dispositivos legales siempre suministrarán 0 o 5 voltios en todas las circunstancias imaginables (incluyendo, por ejemplo, que alguien conecte simultáneamente tres luces de teclado alimentadas por USB a un bus concentrador alimentado junto con su dispositivo). Además, incluso si los dispositivos con certificación USB ofrecieran tal garantía, hay muchos dispositivos sin certificación USB que podrían usarse como fuentes de alimentación.
Por cierto, me pregunto qué tan bien habrían funcionado las cosas si el estándar hubiera permitido cosas como los cargadores de batería para suministrar hasta un amperio a 5,5 voltios, y hubiera permitido que los dispositivos absorbieran, sin negociación, una cantidad de corriente de hasta (x-5) /0,5 ohmios; un intento de enchufar dos de esos cargadores que querían un amperio cada uno en un suministro que solo podía producir 400 mA haría que el voltaje bajara a 5.1 voltios, y ambos dispositivos obtendrían 200 mA cada uno. ¿Alguna idea de lo bien que hubiera funcionado?
Y alguien puede usar un limón con un trozo de zinc y un trozo de cobre :-) - o intentarlo. Hay un límite para lo que puede diseñar con sensatez sin especificaciones. CON especificaciones es diferente: (1) Tome un limón REALMENTE GRANDE , ... . Las últimas especificaciones USB se acercan a la alimentación 1A. Las últimas especificaciones permiten fuentes de alimentación USB tontas de alta corriente que utilizan líneas de datos en cortocircuito como una indicación de que eso es lo que son.
Mi opinión es que si bien no es necesario permitir que un dispositivo que uno está diseñando acepte energía de dispositivos que no son compatibles con USB, al menos uno debe esforzarse por ser tolerante con ellos. De hecho, ¿indica la especificación USB un tiempo de caída mínimo en caso de que, por ejemplo, un concentrador autoalimentado pierda energía? ¿Especifica que enchufar lentamente un conector nunca debe dejarlo en un estado en el que ofrezca una resistencia significativa? Yo diría que en tales eventos, un dispositivo que tiene tanto batería como alimentación USB debería poder cambiar limpiamente entre ellos en ausencia de alguna razón para no hacerlo.
Tenga cuidado con la caída de voltaje a través de resistencias grandes
@mcmiln - ¡Rana octarina!
¿La fuente de alimentación USB realmente admite un diodo de bloqueo Schottky? Si tomamos como ejemplo el 1n5817, tiene una caída de tensión de 0,45A. ¿Puede un dispositivo de alta potencia, como un teléfono, funcionar a 4,55 V? Según este documento , los dispositivos de alta potencia necesitan al menos 4,75 V.
@JohnMunroe Su comentario es completamente relevante para el caso general, pero a través de un proceso de extracción de dientes y lectura de letra pequeña quedó claro que lo que quería el OP permitía una caída de diodo en el USB pero no en el cct de la batería. Mi circuito aborda lo que él dice que quiere (ver arriba), pero no es ideal si se desea una caída de voltaje USB mínima. En tales casos, se agregaría fácilmente un segundo FET en lugar de D1. | Desde arriba: quiere un mínimo de 3.5V pero más sería bueno. Desea minimizar la caída de V de las baterías para poder usar 4 pilas alcalinas AA. En USB, la caída de Schottky es aceptable.
Gran respuesta, Russell. Sin embargo, ¿por qué se necesitan los BJT? ¿Por qué no tener un MOSFET y un diodo y listo? Algo como esto (¡arreglado!)
@Kar Buena pregunta. La solución MOSFET es buena siempre que se elija el FTE Vgsth adecuado. El voltaje máximo de la batería (suponiendo que sus celdas AA sean alcalinas) es de 1,65 V (celdas nuevas) x 4 = 6,6 V. En algunos casos, incluso tal vez 1.655V, digamos 6.8V. El USB tiene un máximo de 5,3 V cuando está encendido y 0 V cuando está apagado después de que se descarguen los condensadores. Crítico aquí es USB_on_low = digamos 4.8V. Bajo esa condición, FET debe estar apagado, por lo que FET Vgs = (6.8-4.8) =~~~~ 2V en el peor de los casos. El FET NO DEBE encenderse a 2V. El mínimo de la batería es decir 4V y el USB bajo cae a 0V "después de un tiempo", por lo que FET debe encenderse en Vgs = 4V. ....
.... Eso coloca al FET Vgs_off_max y Vgs_on_min en un rango bastante estrecho de 2 a 4V. Eso es ciertamente factible, pero el diseñador debe ser consciente de que se necesita diseño. || En el caso bipolar, el USB Von_min se adapta muy fácilmente a Q1 y, si se desea, puede producirse un apagado total cuando V_USB es, por ejemplo, 2 V, por lo que el cambio a batería está mejor definido. Entonces, en general, la adición bipolar agrega 2 x Q y 4 x R (no trivial) en aras de una mejor flexibilidad y capacidad de diseño. PERO su única solución MOSFET es buena siempre que se entienda correctamente la complejidad que acompaña a la simplicidad.
Se agregó la respuesta de @Kar para reflejar su (buena) pregunta.
¿Realmente necesita R1 y R3? ¿No se les puede atajar (eliminar)?
@2ni R1 y R3 se agregan "para que tus días se alarguen sobre la faz de la tierra". Evitan que los transistores relacionados se vean afectados por la corriente de fuga cuando se retira su unidad. Se han llevado a cabo largas discusiones sobre este tema, PERO la realidad es que agregarlos evita problemas ocasionales de activación espuria del mundo real en algunas aplicaciones. Son un seguro barato contra Murphy que le arruina el día. | R1 deriva Icb a través de R4. | Cuando no hay voltaje USB, R3 desvía la corriente a través de R2 y la corriente de polarización inversa a través de D1. ...
@ 2ni ... Si D1 es un diodo Schottky, como suele ser, entonces Irvse_D1 puede ser sorprendentemente alto a temperatura ambiente y mucho peor a temperaturas elevadas. Sugerí una hoja de datos 1N5817 aquí . ¡Verá que a la tensión nominal, la corriente inversa máxima es de 1 mA a 25 C! y 10 mA a 100C [!!!!!]. Incluso a voltajes más bajos, eso es suficiente para arruinar el día de muchas personas a temperaturas de funcionamiento típicas. ¿No?
@RussellMcMahon lo entendió. La puerta no debe estar flotando en caso de que, por ejemplo, no se proporcione Vusb. ¡Gracias!
El producto vinculado (TC2104 LDO) no parece existir. ¿Hay alguna alternativa que recomendarías?
@Volte El TC2104 parece haber desaparecido en los últimos 10 años. La serie LM93x, nicionalmente obsoleta, tiene un trabajo razonable: consulte las listas de Digikey aquí

Tuvimos un problema similar en un pequeño dispositivo portátil hace un tiempo. Usamos una batería (CR2032) con la garantía de tener un voltaje más bajo que cualquier alimentación USB válida, luego usamos el diodo Schottky de caída de voltaje más bajo que pudimos encontrar en serie con la batería. Eso fue lo suficientemente bueno para ese caso.

En su caso, parece que no puede confiar en que la batería tenga un voltaje más bajo que la alimentación USB. En el caso general, desea colocar 0 diodos, uno en serie con cada alimentación conectada. Una forma de acercarse a esto es comenzar con dos diodos Schottky pero colocar un FET en cada uno. Los diodos se asegurarán de que el circuito esté encendido siempre que una de las fuentes de voltaje esté encendida. Luego, el circuito puede contener la detección de qué energía se está utilizando y encender el FET apropiado para cortocircuitar ese diodo. Debe seguir monitoreando los dos voltajes de entrada y apagar el FET cuando las cosas cambien.

En las fuentes de alimentación conmutadas, esto se denomina rectificación síncrona .

He esbozado un cct pero es un desafío interesante. El rango Vbattery > a < agrega diversión. En realidad, necesita algo de memoria de estado y retraso de tiempo y detección de desconexión de USB si quiere hacerlo bien.
@Russell: Sí, no es trivial. Intentaría cumplir con los diodos Schottky de baja caída hacia adelante, pero el OP realmente parece querer una caída muy pequeña.
Cambiar entre batería y alimentación USB
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