嵌入式系统主备电源的自动切换方法与实现

江门职业技术学院机电系 覃银红五邑大学信息工程学院 杨镇首



嵌入式系统主备电源的自动切换方法与实现

江门职业技术学院机电系 覃银红
五邑大学信息工程学院 杨镇首

【摘要】本文介绍了嵌入式系统主备电源自动切换的两种方法，对电压不相等的主备电源系统进行自动切换，具有功耗低，成本低，可靠性高等特点。文中给出了一种由5V电源适配器作为主电源供电、9V电池作为备用电源的主备电源自动切换的具体实现电路，该电路在实际应用中得到了良好的效果。

【关键词】主备电源；自动切换；低功耗；嵌入式系统

0 引言

嵌入式系统对供电持续性的要求越来越高，要求供电电源采用两路甚至两路以上，一路为常用电源（主电源），另外为备用电源。正常情况下由主电源为系统供电，当主电源出现故障时自动切换为备用电源供电，当主电源恢复正常时，自动切回主电源供电。因此需要一种能在主备电源之间进行自动切换的电路，以保证供电不间断或间断时间在允许的范围内[1]。该电源切换电路必须具有反应灵敏，工作可靠，功耗低等特点。传统的电源切换电路，有的不能对电压不相等的主备电源系统进行正常的切换，有的会产生比较高的功耗，因此，设计出一种能实现对主备电源电压不相等的主备电源系统进行自动切换，而且具有性能优，功耗低，成本低，适用于嵌入式系统，具有重要的现实意义。

1 常用的主备电源切换方法

1.1 采用二极管实现的主备电源切换方法

如图1所示，是能够完成主备电源切换的最简单电路[2]。该切换电路只采用两只二极管搭建而成，利用二级管的单向导电性，使得主备电源都能单独为系统供电。当主电源故障时，切换电路能切换为备用电源为系统供电。

这种主备电源切换方法实现简单、低成本，切换速度取决于二级管。但是，该切换方法不适用于备用电源电压大于或相等于主电源电压的主备系统。因为在这种供电系统下，虽然在主电源故障时，电路能切换成备用电源供电，但主电源恢复正常时却不能能实现切换回为系统电源供电。

图1 采用二极管实现的主备电源切换原理图

1.2 采用继电器实现的主备电源切换方法

如图2所示，切换电路采用一个带有一路常开触点、一路常闭触点的继电器来完成主备电源的切换。继电器的线圈由主电源供电，当主电源正常供电时，继电器的常开触点闭合，常闭触点打开，备用电源通路断开，主电源接通为系统供电。当主电源供电故障时，继电器线圈掉电，主电源通路断开，备用电源接通为系统供电。当主电源恢复供电时，继电器线圈恢复得电，备用电源通路断开，主电源通路接通恢复为系统供电。

该切换电路解决了用二极管实现的主备电源切换电路存在的问题，它能实现备用电源电压大于或等于备用电源电压的系统进行正常切换。但是，采用继电器实现的切换电路存在继电器线圈耗电大,对整个系统的温升控制不利的问题[2]，而且切换时间较长，干扰较大等方面的问题，不适合于嵌入式系统的主备电源切换应用。

图2 采用继电器实现的主备电源切换原理图

2 嵌入式系统主备电源切换方案

鉴于上述常用主备电源切换电路所存在的问题而不适于嵌入式系统的主备电源切换，本文设计出了采用MOSFET管实现的主备电源切换方法，适合于嵌入式系统应用的主备电源切换。

2.1 采用MOSFET管实现的主备电源切换方法一

主备电源自动切换电路，采用两个N-MOSFET管、一个P-MOSFET管、两个二级管及电阻电容等器件组成。

如图3所示，当主电源同时正常时，MOSFET管G1导通，则G2截止、G3截止，备用电源不能为系统供电，此时主电源为系统供电；当主电源出现故障时，MOSFET管G1截止，则G2导通、G3导通，备用电源为系统供电。

图3 采用MOSFET实现的主备电源切换原理图一

2.2 采用MOSFET管实现的主备电源切换方法二

主备电源自动切换电路，采用一个N-MOSFET管、两个P-MOSFET管、两个二级管及电阻电容等器件组成。

如图4所示，当主电源同时正常时，MOSFET管G1导通，则G2导通、G3截止，备用电源不能为系统供电，此时主电源为系统供电；当主电源出现故障时，MOSFET 管G1截止，则G2截止、G3导通，备用电源为系统供电。

图4 采用MOSFET实现的主备电源切换原理图二

3 嵌入式系统主备电源的自动切换实现电路

下面以由5V电源适配器作为主电源供电、9V电池作为备用电源的嵌入式系统为例，介绍主备电源的自动切换实现电路。

（1）当主电源5V供电正常时，V1端电压为V1=(R6/(R3+R6)*5V)=4.5V，则G1的栅源电压为VGS(G1)=4.5V，大于N型MOSFET管G1的栅源门限电压VGS(th)(0.7～1.4V)[7]，G1导通，V2端电压为V2=0V，则G2的栅源电压为VGS(G2)=-9V，小于P型MOSFET管G1的栅源门限电压VGS(th)(-0.5～-1.3V)[8]，G2导通，V3端电压为V3=9V，则G3的栅源电压为VGS(G3)=0V，G3截止。则9V不能供电，系统由5V主电源供电。

（2）当主电源5V供电异常时，系统由9V备用电池供电。在这种情况下，需要进行供电的低功耗考虑。该供电情况下，切换电路的电阻R4将损耗一定的功率。理论上电阻R4的阻值越大，其损耗的功率就越小，但是R4增大，将会影响G3的导通与关断。所以，R4的取值需结合G3的P-MOSFET的开关特性及降低功耗的需求。

另外，电路中电容C1～C3的作用有：缓冲切换时输出电压的波动、增大电源的驱动能力，电容容值可以根据实际进行调整；二极管D1～D2的作用有：由于二级管的单向导电性，二极管D2防止在主电源供电时，主电源经切换电路的P-MOSFET管G3漏流入备用电池；二级管D1防止在备用电池供电时，备用电源流入主电源，造成切换电路认为主电源供电，进而切断备用电池供电，导致系统断电。

图5 嵌入式系统主备电源的自动切换实现电路

4 结论

本文介绍了两种种嵌入式系统的主备电源自动切换方法。保证嵌入式系统某路正在使用的电源出现故障时能自动切换到另外的正常电源上，保证供电不间断或间断时间在允许的范围内。切换电路能对电压不相等的主备电源系统进行正常的切换，且具有反应灵敏，工作可靠，功耗低等特点。在实际于嵌入式系统应用中取得了良好的应用效果。

参考文献

[1]鲍祖尚,朱志伟,王定山,洪理能.基于AT89C51的电源切换控制器的设计与实现[J].电源技术应用,2005,09:53-56.

[2]胡玉祥.具有电池后备的微机测控系统电源设计[J].北方工业大学学报,2003,03:42-46.

[3]王斌,孟志敏,刘峰,王千山.主、备电源自动切换系统的设计与实现[J].铜陵学院学报,2012,03:107-110.

[4]刘凤秋,徐征辉,刘胜剑.双电源管理系统的设计与实现[J].电子设计工程,2015,02:105-109.

[5]王建,赖奕佳.基于ATmega128单片机的自动投切开关电源设计[J].工业控制计算机,2013,01:126-127.

[6]华成英,童诗白主编,清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础[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.

覃银红（1988—），女，湖南常德人，硕士，主要研究方向：嵌入式应用技术、电气工程及自动化技术。

杨镇首（1988—），男，福建泉州人，硕士，工程师，主要研究方向：嵌入式应用技术、物联网技术、计算机测控系统。

通信作者：

作者简介：