正德诚B50移动电源改进，防倒灌电路，兼谈MOS的非标准用法

Fireflying

之前搞了两个正德诚移动电源套件玩，装好之后做了简单的评测：
http://www.shoudian.org/thread-315223-1-1.html

在评测中发现这个移动电源的一个问题，就是很容易发生拒充现象。本帖再次对B50拒充问题进行一下分析。
B50移动电源是采用单片机控制，在程序中设计了一个功能，它会对充电电流进行监测，当监测到充电电流达不到需求（设计值为1A）的时候，就会双灯闪烁停止充电。首先，这个逻辑属于喧宾夺主，很多时候用户手中的USB充电头的输出电流比较小，例如是700mA的，用在这个移动电源上就会拒充。正德诚李工也表示当时这个程序的逻辑不完整，后续移动电源这部分程序是发现充电电流不达标的时候，会逐档下调充电电流，这样就比较好了，当然这是后话。
其次，因为电路功能上的需要，在移动电源的MicroUSB的充电输入口回路中，串联了一枚SS12肖特基二极管，用于防倒灌。由于这个肖特基二极管的存在，使得拒充问题雪上加霜。在USB充电头输出电压为5.0V的时候，如果用户采用最常用的手机自带的USB线进行充电，一般这类手机自带USB线大约长1.2米，其中电源线多半采用26AWG甚至更细的线芯，正负两根电源线芯总长度为2.4米左右，综合压降在0.3V~0.4V是很常见的，加上肖特基二极管的0.3V压降，这样到达充电管理电路的电压就只有4.3V~4.4V了，锂电的满电压是4.2，压差只有0.1V~0.2V，所以，哪怕充电头有1A的输出能力，但是经过USB线、肖特基二极管、充电管理电路这三层的“盘剥”，实际充电电流也很难达到1A。
然后单片机很武断地发现充电电流不达标就直接终止充电。这样造成这款移动电源的拒充发生率非常高，用户体验较差。

OK，知道了问题的原因，就要着手解决。程序上的问题，我不是开发方，没法动程序，只能由它去了。余下的，就是想方设法减小充电输入回路的压降。

一开始，我直接把肖特基二极管短路，这样等于减小了0.3V的电压损失，拒充问题确实解决了（在充电头能够提供1A的情况下），但是发现有问题：
1：用移动电源给手机充电，充电完成后移动电源自动关机，这时候移动电源的USB输出口会有一个接近内部电池的电压，这个电压视电池电量不同大约为3.8V左右，这个电压会让手机以为充电器已经接通，进入充电状态，结果是电量越充越少，在很短的时间把手机电量搞光光。
2、移动电源的关机静态电流会较大，测试有将近380微安，这个很可观。
如此看来，这个肖特基二极管是不能直接短路的。


那么，再剩下的方法，就只能找个低压降的防倒灌电路，来代替肖特基二极管。经过从网上查询，然后自己在洞洞板上搭接电路实验，最终用一枚PMOS和一枚NPN外加3枚电阻，搞出了一个低压降的防倒灌电路：

电路原理浅析：
原移动电源的肖特基二极管是接在MicroUSB输入回路的正极，所以替代电路也必须在正极。在这里，PMOS管AO3401是主开关管。当输入端接上5V电压的时候，通过两枚电阻分压，NPN管基极得到偏置导通，PMOS管栅极跟输入负极接通，PMOS管导通，5V进入后级电路，移动电源开始充电。当MicroUSB输入端的5V断开的时候，NPN管失去偏置截止，PMOS管截止，同时阻断右边来自电池的电压向左倒灌。

在这个电路中，PMOS不是按照标准接法，因为按照标准接法，PMOS管的源极（S）应该接高电位的5V输入端，漏极（D）接输出端。为什么没有采用标准接法呢？因为MOS管内部由于生产工艺的原因，有个寄生二极管，对于PMOS管来说，是由D极指向S极的。如果用标准接法，那么右边来自电池的电压会通过寄生二极管流向左边，这样就失去了防倒灌的作用了。实际上，对于MOS管来说，如果抛开寄生二极管，那么源极和漏极是基本对称的，是可以互换的。由于生产工艺的原因，需要把衬底接源极，因此必须考虑寄生二极管对电路的作用。本例中，就是把PMOS的源极和漏极交换使用。这样，那个寄生二极管是从正5V端指向输出端，就不会对电路造成影响。当PMOS管导通的时候，那个寄生二极管是被旁路的——因为PMOS管的压降小于寄生二极管。

因为可用空间较小，全部采用贴片元件，手工刻制一片PCB，焊上元件和引线，用热缩套管做封固，拆掉移动电源上的那个肖特基二极管，把三条引线焊接到相关焊点。改装完成。

绿色的就是防倒灌电路，另外一个蓝色的电解电容器是并联到输出USB母座的1和4引脚上的，增强滤波。因为B50设计的输出滤波电容为220微法，有些手机会因为纹波太大造成充电故障。

经过这样改装之后，在充电的时候测试，防倒灌电路的串联压降只有68mV，随便拿手头的任何一根USB线充电，只要USB充电头的输出能力足够1A，移动电源都能正常充电。不像以前那样必须用Nokia的20cm短线才能充电。效果非常明显。

在MOS的实际应用中，经常会像本例一样把源极和漏极交换使用，例如锂电保护电路里面两枚NMOS，其中一枚就是交换源极和漏极使用的。了解MOS的内部构造和基本电路组态之后，灵活应用能更高效地解决问题。希望本帖能对坛友有所助益。

不见长进

字太多，辛苦了，先回再看

LESLIE123

好贴！

水逝水飞

技术范文

噬魂

好帖，我的两个还在吃灰中，准备改到米勒202外壳中去，但是不认识摩丝，显卡和笔记本电池保护板里面能拆到摩丝吗？

Fireflying

噬魂 发表于 2013-8-8 15:32

                               
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好帖，我的两个还在吃灰中，准备改到米勒202外壳中去，但是不认识摩丝，显卡和笔记本电池保护板里面能拆到 ...

显卡好像不容易看到MOS，笔记本电池保护板里面肯定有，一般多为NMOS。

我这次是淘宝买的PMOS。先是从黄老邪那买，结果傻蛋黄老邪发错货，给我发成NMOS，后来另外找一家买了。

zhangyi

好贴留名

503006081

LZ高手啊，菜鸟又学习的一个MOS管应用，原理是不是输入5V经过MOS寄生二极管为GS导通电压创造条件啊，谢谢指点

噬魂

Fireflying 发表于 2013-8-8 15:42
显卡好像不容易看到MOS，笔记本电池保护板里面肯定有，一般多为NMOS。

我这次是淘宝买的PMOS。先是从黄 ...

酱紫啊，能不能说几个便宜的可以实现你说的功能的PMOS型号和封装，我到电子市场问问！谢谢！

whseen

Fireflying 发表于 2013-8-8 15:42

                               
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显卡好像不容易看到MOS，笔记本电池保护板里面肯定有，一般多为NMOS。

我这次是淘宝买的PMOS。先是从黄 ...

台达超高速风扇里面就有nmos和pmos管，而且还是大功率mos管。

Fireflying

503006081 发表于 2013-8-8 17:57
LZ高手啊，菜鸟又学习的一个MOS管应用，原理是不是输入5V经过MOS寄生二极管为GS导通电压创造条件啊，谢谢指 ...

PMOS导通电压是由NPN管提供的，交换源极和漏极主要目的是让寄生二极管反过来，以免寄生二极管产生倒灌。

Fireflying

噬魂 发表于 2013-8-8 18:38
酱紫啊，能不能说几个便宜的可以实现你说的功能的PMOS型号和封装，我到电子市场问问！谢谢！ ...

据我所知，SI2301比较便宜，大概7分钱一个，SI2301的电流记得是2A的。我用的AO3401大约1毛8分一个，电流好像是4.3A。

Fireflying

whseen 发表于 2013-8-8 18:39
台达超高速风扇里面就有nmos和pmos管，而且还是大功率mos管。

拆风扇搞MOS成本有点高哈。

国望堂

技术强人！

503006081

Fireflying 发表于 2013-8-8 19:32

                               
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PMOS导通电压是由NPN管提供的，交换源极和漏极主要目的是让寄生二极管反过来，以免寄生二极管产生倒灌。 ...

请教一下，是GD还是GS产生的导通电压啊，谢谢

911110

强人！！！！！！！！！！！！

Fireflying

503006081 发表于 2013-8-8 20:07

                               
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请教一下，是GD还是GS产生的导通电压啊，谢谢

这个…… 需要从MOS的基本原理说起。

在原理上，MOS跟双极型三极管有等效类比关系。MOS的D、G、S分别对应双极三极管的C、B、E；电压极性上，PMOS对应PNP三极管，NMOS对应NPN三极管。

现在把防倒灌电路重新绘制原理图：

在这里，我把寄生二极管也绘制上。如果按照MOS的标准接法，应该是左边S右边D，这样寄生二极管的方向是从右指向左。这样的话，Vout+端来自电池的电压会通过寄生二极管向左倒灌至Vin+。这就是需要把MOS的D和S极交换的原因，交换之后，寄生二极管方向为从左到右，当MOS截止的时候，右边Vout+端来自电池的电压把寄生二极管反向偏置，不会倒灌至Vin+。而前面说过了，抛开寄生二极管，MOS的D和S基本是对称的，所以，本例就是在功能上把MOS的D极当S极用，把S极当D极用。

然后把PMOS用PNP三极管替换，你应该可以看出它是怎么工作的了。

根据前面的原理解释，现在把原理图中这枚PMOS用一个PNP管代替，就是上图。当下面的NPN管导通的时候，PNP管的BE结被正向偏置，PNP管导通。反着演绎回PMOS管，就是PMOS管的GS两极被加上正向偏置电压（S正极G负极），PMOS管导通。注意，这里所说的S极实际上是D极当S极用的。

503006081

谢谢LZ这么详细的指点，{:1_288:}{:3_102:}
还有就是那个输出端GS端并联的那个电阻不要的话是不是也行啊

Fireflying

503006081 发表于 2013-8-8 22:11

                               
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谢谢LZ这么详细的指点，
还有就是那个输出端GS端并联的那个电阻不要的话是不是也行啊 ...

那个是给NPN三极管做集电极负载直流通路负载的，如果不加那个电阻的话，由于MOS属于绝缘栅极结构，栅极相当于开路的，NPN管将没有工作电流。由于本电路属于低速电子开关，那个电阻的阻值可以比较宽泛，几十到上百k都可以。
如果在高频脉冲开关电路里面用的话，就要考虑MOS的栅极电容来选择驱动电路的阻抗了。

skycny

好文，标记一下！