电源选择电路的原理

世界上最常用的开发板，Arduino Uno，支持多种供电方式，大致分为两类：5V直接供电与更高电压经LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）后供电。神奇的是，当两种电源都连接时，开发板会自动选择后者，而不会让两者冲突。

完整的原理图可以在这里查看。由于整张图比较大，我把电源部分抽出来自己画了一遍。

V1和VBUS分别是外接电源和USB供电；S1和S2用于控制两个电源的连接状态；D1是防反接保护二极管；U1和U2分别是5V和3.3V LDO；U3是LMV358低压轨至轨运放，起到比较器的作用；R1和R2构成分压电路，把外接输入电压减去二极管压降的一半作为运放同相输入；Q1是一个P沟道MOS管；VCC是输出的5V电源。（以上名词不懂的请自行百度。）

简单分析一下：如果S1闭合，U1给VCC5V输出，运放有供电，反相输入为U2输出的3.3V，正相电压高于反相，运放输出5V，Q1栅极与源极电压相等，不导通，无论S2是否闭合，VBUS都不会输出电流。

如果S1断开，且电路已经通过VBUS电源供应正常工作，那么类似分析可得运放输出0V，Q1栅极电压比源极电压低5V，MOS管导通，VBUS通过Q1给VCC5V输出，电路继续正常工作。

但是在只有USB供电的情况下，电路上电时会怎样？有网友也提出了这样的疑问。

I half understand the Arduino Uno power select circuit that uses as p-FET to disconnect the USBVCC when an external Vin is supplied, but one bit baffles me. If no external supply is connected then at startup what state is the p-FET in? If the p-FET is ON (Vgs -ve) then USBVCC powers the LMV358 op-amp which compares 3v3 to 0V and drags the p-FET gate voltage down and it all works (although the initial p-FET source voltage is floating). But if the p-FET is OFF then the LMV358 has no power, so the p-FET gate voltage is indeterminate, so what happens to the p-FET? It all seems a bit chicken and egg to me.

我不是很理解Arduino Uno的电源选择电路。当有外接电源连接时，它用P沟道MOS管断开USB电源，但有一点我不理解。如果没有外接电源，启动时MOS的状态是什么？如果是导通的，USB电源给LMV358供电，比较3.3V与0V，把MOS的栅极拉低，电路正常工作（尽管初始时MOS的源极电压是浮空的）。但是如果MOS是关断的，LMV358就没有电源，所以MOS的栅极电压是未定的，所以MOS会怎么样？这就像先有鸡还是先有蛋一样。

答案是电路依然能正常工作，原因是MOS管中有一个寄生二极管。注意，只有分立MOS管才有寄生二极管。寄生二极管方向是：N沟道管由S极向D极，P沟道管由D极向S极。可以这样记：衬底连接S极，两个箭头的方向相同。

因为有这个寄生二极管的存在，无论上电时MOS处于什么状态，VCC总有4.3V电压，可以让U2输出3.3V，也可以让运放工作，于是运放就会输出0V，MOS导通，VCC输出5V。这个过程在一瞬间完成。

一般来说，高边P沟道MOS管都是源极连接电源，漏极输出。而这个电路为了利用寄生二极管把两者颠倒了过来，仍能正常工作，十分巧妙。