嵌入式系統主備電源的自動切換方法與實現

江門職業技術學院機電系 覃銀紅五邑大學信息工程學院 楊鎮首

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嵌入式系統主備電源的自動切換方法與實現

江門職業技術學院機電系 覃銀紅
五邑大學信息工程學院 楊鎮首

【摘要】本文介紹了嵌入式系統主備電源自動切換的兩種方法，對電壓不相等的主備電源系統進行自動切換，具有功耗低，成本低，可靠性高等特點。文中給出了一種由5V電源適配器作為主電源供電、9V電池作為備用電源的主備電源自動切換的具體實現電路，該電路在實際應用中得到了良好的效果。

【關鍵詞】主備電源；自動切換；低功耗；嵌入式系統

0 引言

嵌入式系統對供電持續性的要求越來越高，要求供電電源采用兩路甚至兩路以上，一路為常用電源（主電源），另外為備用電源。正常情況下由主電源為系統供電，當主電源出現故障時自動切換為備用電源供電，當主電源恢復正常時，自動切回主電源供電。因此需要一種能在主備電源之間進行自動切換的電路，以保證供電不間斷或間斷時間在允許的范圍內[1]。該電源切換電路必須具有反應靈敏，工作可靠，功耗低等特點。傳統的電源切換電路，有的不能對電壓不相等的主備電源系統進行正常的切換，有的會產生比較高的功耗，因此，設計出一種能實現對主備電源電壓不相等的主備電源系統進行自動切換，而且具有性能優，功耗低，成本低，適用于嵌入式系統，具有重要的現實意義。

1 常用的主備電源切換方法

1.1 采用二極管實現的主備電源切換方法

如圖1所示，是能夠完成主備電源切換的最簡單電路[2]。該切換電路只采用兩只二極管搭建而成，利用二級管的單向導電性，使得主備電源都能單獨為系統供電。當主電源故障時，切換電路能切換為備用電源為系統供電。

這種主備電源切換方法實現簡單、低成本，切換速度取決于二級管。但是，該切換方法不適用于備用電源電壓大于或相等于主電源電壓的主備系統。因為在這種供電系統下，雖然在主電源故障時，電路能切換成備用電源供電，但主電源恢復正常時卻不能能實現切換回為系統電源供電。

圖1 采用二極管實現的主備電源切換原理圖

1.2 采用繼電器實現的主備電源切換方法

如圖2所示，切換電路采用一個帶有一路常開觸點、一路常閉觸點的繼電器來完成主備電源的切換。繼電器的線圈由主電源供電，當主電源正常供電時，繼電器的常開觸點閉合，常閉觸點打開，備用電源通路斷開，主電源接通為系統供電。當主電源供電故障時，繼電器線圈掉電，主電源通路斷開，備用電源接通為系統供電。當主電源恢復供電時，繼電器線圈恢復得電，備用電源通路斷開，主電源通路接通恢復為系統供電。

該切換電路解決了用二極管實現的主備電源切換電路存在的問題，它能實現備用電源電壓大于或等于備用電源電壓的系統進行正常切換。但是，采用繼電器實現的切換電路存在繼電器線圈耗電大,對整個系統的溫升控制不利的問題[2]，而且切換時間較長，干擾較大等方面的問題，不適合于嵌入式系統的主備電源切換應用。

圖2 采用繼電器實現的主備電源切換原理圖

2 嵌入式系統主備電源切換方案

鑒于上述常用主備電源切換電路所存在的問題而不適于嵌入式系統的主備電源切換，本文設計出了采用MOSFET管實現的主備電源切換方法，適合于嵌入式系統應用的主備電源切換。

2.1 采用MOSFET管實現的主備電源切換方法一

主備電源自動切換電路，采用兩個N-MOSFET管、一個P-MOSFET管、兩個二級管及電阻電容等器件組成。

如圖3所示，當主電源同時正常時，MOSFET管G1導通，則G2截止、G3截止，備用電源不能為系統供電，此時主電源為系統供電；當主電源出現故障時，MOSFET管G1截止，則G2導通、G3導通，備用電源為系統供電。

圖3 采用MOSFET實現的主備電源切換原理圖一

2.2 采用MOSFET管實現的主備電源切換方法二

主備電源自動切換電路，采用一個N-MOSFET管、兩個P-MOSFET管、兩個二級管及電阻電容等器件組成。

如圖4所示，當主電源同時正常時，MOSFET管G1導通，則G2導通、G3截止，備用電源不能為系統供電，此時主電源為系統供電；當主電源出現故障時，MOSFET 管G1截止，則G2截止、G3導通，備用電源為系統供電。

圖4 采用MOSFET實現的主備電源切換原理圖二

3 嵌入式系統主備電源的自動切換實現電路

下面以由5V電源適配器作為主電源供電、9V電池作為備用電源的嵌入式系統為例，介紹主備電源的自動切換實現電路。

（1）當主電源5V供電正常時，V1端電壓為V1=(R6/(R3+R6)*5V)=4.5V，則G1的柵源電壓為VGS(G1)=4.5V，大于N型MOSFET管G1的柵源門限電壓VGS(th)(0.7～1.4V)[7]，G1導通，V2端電壓為V2=0V，則G2的柵源電壓為VGS(G2)=-9V，小于P型MOSFET管G1的柵源門限電壓VGS(th)(-0.5～-1.3V)[8]，G2導通，V3端電壓為V3=9V，則G3的柵源電壓為VGS(G3)=0V，G3截止。則9V不能供電，系統由5V主電源供電。

（2）當主電源5V供電異常時，系統由9V備用電池供電。在這種情況下，需要進行供電的低功耗考慮。該供電情況下，切換電路的電阻R4將損耗一定的功率。理論上電阻R4的阻值越大，其損耗的功率就越小，但是R4增大，將會影響G3的導通與關斷。所以，R4的取值需結合G3的P-MOSFET的開關特性及降低功耗的需求。

另外，電路中電容C1～C3的作用有：緩沖切換時輸出電壓的波動、增大電源的驅動能力，電容容值可以根據實際進行調整；二極管D1～D2的作用有：由于二級管的單向導電性，二極管D2防止在主電源供電時，主電源經切換電路的P-MOSFET管G3漏流入備用電池；二級管D1防止在備用電池供電時，備用電源流入主電源，造成切換電路認為主電源供電，進而切斷備用電池供電，導致系統斷電。

圖5 嵌入式系統主備電源的自動切換實現電路

4 結論

本文介紹了兩種種嵌入式系統的主備電源自動切換方法。保證嵌入式系統某路正在使用的電源出現故障時能自動切換到另外的正常電源上，保證供電不間斷或間斷時間在允許的范圍內。切換電路能對電壓不相等的主備電源系統進行正常的切換，且具有反應靈敏，工作可靠，功耗低等特點。在實際于嵌入式系統應用中取得了良好的應用效果。

參考文獻

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[6]華成英,童詩白主編,清華大學電子學教研組編.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社,2006.

[7]AO3400A Datasheet[Z].http://www.aosmd.com.

[8]AO3401A Datasheet[Z].http://www.aosmd.com.

覃銀紅（1988—），女，湖南常德人，碩士，主要研究方向：嵌入式應用技術、電氣工程及自動化技術。

楊鎮首（1988—），男，福建泉州人，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式應用技術、物聯網技術、計算機測控系統。

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