為了盡量減少功耗，一個(gè)簡單的MOSFET通常被用來將電源傳送到未使用的電路。然而，更好的選擇是使用負(fù)載開關(guān)，因?yàn)樗蓄~外的功能來處理電力軌道管理的許多細(xì)微之處和古怪之處。

　　負(fù)載開關(guān)提供了一系列性能參數(shù)和來自多個(gè)供應(yīng)商的評(píng)級(jí)，這使得應(yīng)用程序優(yōu)先級(jí)和可用部件之間有很好的匹配。

　　本文將簡要討論集成電路和電路斷電概念，然后介紹合適的負(fù)載開關(guān)選項(xiàng)以及它們應(yīng)該如何使用。

　　省電選項(xiàng)

　　暫時(shí)關(guān)閉不必要的功能，以最小的功率消耗是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)策略。出于這個(gè)原因，許多ICS有一個(gè)用戶導(dǎo)向，超低功耗靜態(tài)模式。

　　然而，在靜態(tài)模式下放一個(gè)集成電路只會(huì)關(guān)閉集成電路而不是相關(guān)的電路，包括其他功率耗散無源器件(主要是電阻器)，以及有源分立器件，如晶體管。因此，設(shè)計(jì)者常常轉(zhuǎn)向簡單的MOSFET，把電源關(guān)到整個(gè)分段關(guān)閉。

　　這種MOSFET可即使電源的需要(無論是LDO或開關(guān))可以關(guān)閉通過使控制線，以減少其負(fù)荷支路空閑模式下的功耗。其原因是，雖然節(jié)省可能是重要的，許多電源的泄漏電流是比較大的，即使在關(guān)機(jī)模式，所以節(jié)省電力可能是不夠的。

　　雖然使用一個(gè)適當(dāng)大小的MOSFET作為功率軌/關(guān)開關(guān)工作，MOSFET的能力和功能本身可以提供的邊際，往往不能支持其他開/關(guān)開關(guān)的要求。此外，電路設(shè)計(jì)者必須為MOSFET提供一個(gè)合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，它成為“要做”列表中的另一項(xiàng)，因此增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、時(shí)間、空間和成本。

　　負(fù)載開關(guān)提供“全功能”解決方案

　　更好的方法是使用一個(gè)“負(fù)載開關(guān)”IC，它是一個(gè)旁路元件MOSFET，外加一個(gè)小封裝中的額外電源管理功能。大多數(shù)負(fù)載開關(guān)只有四個(gè)引腳，每一個(gè)輸入電壓，輸出電壓，邏輯電平啟用，和地面(圖1)。

　　基本負(fù)荷開關(guān)圖四端子裝置

　　

　　圖1：基本負(fù)載是一個(gè)四終端設(shè)備，它結(jié)合了MOSFET和MOSFET驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)單一的，易于使用的包。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　操作很簡單：當(dāng)負(fù)載開關(guān)通過其引腳啟用時(shí)，通場效應(yīng)管開啟并允許電流從輸入(源)電壓引腳流向輸出(負(fù)載)電壓引腳。作為一個(gè)基本的MOSFET的直流電阻，通過“開關(guān)”只有幾毫歐(m?)，因此電壓降低，因此相關(guān)的功耗。

　　負(fù)載開關(guān)不僅僅是一個(gè)MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，它可以通過一個(gè)簡單的邏輯電平信號(hào)進(jìn)行開/關(guān)。雖然單獨(dú)的能力可能使負(fù)載比MOSFET單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)程序切換更好的解決方案，負(fù)載開關(guān)做得更多(圖2)。

　　負(fù)載開關(guān)功能圖

　　圖2：負(fù)載開關(guān)通常與其他功能增強(qiáng)，包括放電控制、轉(zhuǎn)換速率控制、各種形式的保護(hù)和故障監(jiān)控。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　除了邏輯電平控制功能外，為什么還要使用負(fù)載開關(guān)呢?有幾個(gè)原因：

　　積分驅(qū)動(dòng)器管理柵極的充放電，從而提供MOSFET的導(dǎo)通/關(guān)斷周期的上升/下降時(shí)間的擺率控制。這優(yōu)化了MOSFET的性能，避免了超調(diào)和振鈴，并最大限度地減少不希望的EMI / RFI。

　　此外，控制MOSFET在開關(guān)中的導(dǎo)通時(shí)間，以防止輸入軌因突然從負(fù)載電容中快速充電而引起的浪涌電流突然增加而下垂。這種凹陷是一個(gè)問題，如果相同的輸入軌也提供電力給其他子系統(tǒng)，必須保持全動(dòng)力。

　　一些負(fù)載開關(guān)提供了一種快速輸出放電(隔日一次)通過輸出和地之間的一個(gè)片上電阻的特征;這種模式被激活時(shí)，該設(shè)備被禁用通過銷。這將釋放輸出節(jié)點(diǎn)，防止輸出浮動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致不必要的活動(dòng)時(shí)，負(fù)載電路沒有斷電到一個(gè)定義的狀態(tài)。

　　請(qǐng)注意，這個(gè)功能有時(shí)是不可取的：如果負(fù)載開關(guān)的輸出連接到一個(gè)電池，這樣快速的輸出放電將導(dǎo)致電池耗盡時(shí)，負(fù)載開關(guān)通過引腳禁用-不是一件好事!因此，一些供應(yīng)商將它作為單個(gè)設(shè)備中的可選功能提供，而另一些供應(yīng)商提供兩種負(fù)載開關(guān)的變體，其中一種擁有它，另一種不。前一種方案允許在一個(gè)產(chǎn)品中，但在不同的場景中使用相同部分的倍數(shù)。

　　負(fù)載開關(guān)可以包含任何其他功能，只要有電源和軌道，如熱關(guān)機(jī)，欠壓鎖定，限流和反向電流保護(hù)是可取的。這些保護(hù)功能有助于系統(tǒng)級(jí)完整性。

　　與從一個(gè)基本MOSFET開關(guān)電源軌道和添加這些功能和功能相比，整體BOM，設(shè)計(jì)時(shí)間和房地產(chǎn)成本可以大大降低。

　　更進(jìn)一步，負(fù)荷開關(guān)的使用不僅限于簡單的關(guān)閉以節(jié)省電力。通過使用負(fù)載開關(guān)陣列，一個(gè)較大的電源可以為多個(gè)電路分段供電，對(duì)這些分段的上/下功率，通過規(guī)定的序列和在多個(gè)數(shù)字輸出的控制下實(shí)現(xiàn)定時(shí)(圖3)。通過這種方式，負(fù)載開關(guān)充當(dāng)了更廣泛有效的電源管理控制方案的門控元件。

　　負(fù)載開關(guān)的映像允許單電源驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載。

　　

　　圖3：負(fù)載開關(guān)允許單電源驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載，每個(gè)負(fù)載具有獨(dú)立的開/關(guān)和相對(duì)定時(shí)。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　記住，負(fù)荷開關(guān)需要一個(gè)電容器(通常為1微法拉(μF))對(duì)輸入電源引起的瞬態(tài)浪涌電流的放電負(fù)載電容的電壓降限制其輸入端。他們還需要“看到”一個(gè)負(fù)載電容，大約是輸入電容的十分之一;如果負(fù)載小于這個(gè)值，應(yīng)該增加一個(gè)小的輸出電容。

　　負(fù)荷開關(guān)參數(shù)

　　負(fù)載開關(guān)的性能屬性從一個(gè)用作開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)FET開始。這些措施包括：

　　狀態(tài)電阻決定負(fù)載開關(guān)上的壓降，同時(shí)也決定開關(guān)的功耗。典型值是在幾十毫范圍將個(gè)體供應(yīng)商的產(chǎn)品，但與負(fù)荷開關(guān)電流容量的變化。設(shè)計(jì)者必須做一些基本的計(jì)算來確定應(yīng)用中的最大允許值。

　　最大電壓(VIN)和電流(IMAX)額定值指定開關(guān)能承受的電壓有多高，以及電流最大值是多少。設(shè)計(jì)者應(yīng)檢查穩(wěn)態(tài)值，以及這些因素的瞬時(shí)值和峰值。

　　其他參數(shù)是靜態(tài)電流和關(guān)斷電流。靜態(tài)電流是負(fù)載開關(guān)在負(fù)載開關(guān)上消耗時(shí)的電流，因而成為浪費(fèi)功率。與負(fù)載本身耗散的功率相比，這是微不足道的。關(guān)斷電流是指當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)從負(fù)載開關(guān)泄漏到負(fù)載的電流。

　　負(fù)載開關(guān)跨越簡單到復(fù)雜

　　一個(gè)額外的功能，負(fù)荷開關(guān)的一個(gè)很好的例子是ncp330安森美半導(dǎo)體。這是一個(gè)基本的N溝道MOSFET負(fù)載開關(guān)，但它包括一個(gè)2毫秒軟啟動(dòng)模式的情況下突然負(fù)載的應(yīng)用可能是有害的。這在移動(dòng)應(yīng)用中經(jīng)常需要，在容量有限的電池中(圖4)。

　　在半導(dǎo)體的ncp330負(fù)荷開關(guān)圖

　　

　　圖4：在半導(dǎo)體的ncp330負(fù)荷開關(guān)包括一個(gè)2毫秒的轉(zhuǎn)換模式，負(fù)載不會(huì)突然附源。這可以防止各種操作和性能問題的供應(yīng)和負(fù)載。(圖像來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　的ncp330很低電阻僅為30 m?使得它適合在一個(gè)系統(tǒng)中電池充電可達(dá)3安培(A)(5峰)。1.8伏至5.5伏的設(shè)備是自動(dòng)啟用，如果電源連接到Vin pin(高電平)。如果沒有輸入電壓，它通過內(nèi)部下拉電阻保持關(guān)閉。反向電壓保護(hù)也是內(nèi)置的。

　　Vishay Siliconix提供的sip32408和sip32409擺率控制的負(fù)荷開關(guān)(2.5毫秒到3.6 V)設(shè)計(jì)為1.1 V至5.5 V操作。是的sip32409的sip32408相同，但關(guān)閉輸出放電電路快速轉(zhuǎn)身。一個(gè)關(guān)鍵的特征是它們的電阻，通常為42米?，平了大部分的供應(yīng)范圍從1.5到5伏特。另一個(gè)特性是控制使能電壓也很低，因此它可以在低壓電路中使用，而不需要電平移位器(圖5)。

　　控制使能信號(hào)低電平和高邏輯電平閾值與輸入電壓之間的關(guān)系圖

　　

　　圖5：控制使能信號(hào)低閾值與Vishay Siliconix sip32408和類似sip32409負(fù)荷開關(guān)的輸入電壓和高邏輯電平之間的關(guān)系。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　雖然負(fù)荷開關(guān)的數(shù)量和功能的封裝引腳布局相對(duì)簡單的設(shè)備，仍然是個(gè)問題當(dāng)有電流流可能寄生。出于這個(gè)原因，最好使用公司建議的PC板布局(圖6)，以及一個(gè)1×1英寸的頂部和底部側(cè)布局(2.5×2.5厘米)評(píng)估板(圖7)。

　　精心設(shè)計(jì)的PC板布局和組件布局圖

　　

　　圖6：它需要一個(gè)精心策劃的PC板布局和元件布局實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開關(guān)如sip32408和sip32409充分表現(xiàn)，使地面噪聲，寄生，與電流不妨礙最大性能。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　為sip32408和sip32409 PC板布局圖

　　

　　圖7：除了表現(xiàn)為sip32408和sip32409首選的PC板布局布局，Vishay Siliconix還提供了對(duì)這些設(shè)備的一個(gè)小評(píng)估板。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　負(fù)荷開關(guān)用于在較低的電壓越來越普遍的是來自德克薩斯的tps22970儀器，可以操作從一個(gè)輸入為0.65 V到3.6 V(圖8)。電阻較低，在1.8 V輸入從一個(gè)典型的4.7米Ω，略微上升到6.4米Ω在0.65 V的開關(guān)手柄連續(xù)電流4，一對(duì)30μ狀態(tài)的靜態(tài)電流(典型值)在1.2 V輸入，和一個(gè)從1μ在輸入1.8 V以上電流狀態(tài)

　　對(duì)tps22970應(yīng)用基礎(chǔ)圖

　　

　　圖8：基本應(yīng)用的tps22970顯示關(guān)鍵的輸入(源)電容和有時(shí)不必要的輸出(負(fù)載)電容器;明確了負(fù)荷開關(guān)是一個(gè)簡單的四端器件。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　有150的tps22970Ω片上電阻的輸出快速放電開關(guān)時(shí)禁用。這樣可以避免由負(fù)載所看到的浮動(dòng)供應(yīng)引起的任何未知狀態(tài)。轉(zhuǎn)換速率控制的開啟時(shí)間分別為1.5毫秒(ms)和0.8毫秒，分別為3.6伏和0.65伏的輸入電壓。全面數(shù)據(jù)表(25頁長，四終端設(shè)備)包含許多詳細(xì)的表格和圖表，充分體現(xiàn)其性能在一系列廣泛的觀點(diǎn)。例如，它顯示了四個(gè)輸入電壓中每一個(gè)的上升和下降時(shí)間和溫度(圖9)。

　　上升時(shí)間(左)和下降時(shí)間(右)與溫度的圖像

　　

　　圖9：上升時(shí)間(左)和下降時(shí)間(右)與10Ω和0.1μF負(fù)載電容負(fù)載電阻的溫度，為tps22970。(圖片來源：凱利訊半導(dǎo)體)

　　結(jié)論

　　MOSFET本身可以提供一個(gè)簡單的解決方案來切換直流開關(guān)，以最大限度地減少功耗，實(shí)現(xiàn)多負(fù)載的排序和控制功率定時(shí)。然而，負(fù)載開關(guān)集成MOSFET，驅(qū)動(dòng)器，擺率控制和各種形式的故障保護(hù)往往是一個(gè)更好的選擇，因?yàn)樗梢蕴峁┧羞@些額外的功能在一個(gè)單一的，占地面積小的設(shè)備。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的利用IC负载开关的特性，安全地降低功耗的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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