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【集成電源開關(guān)拓?fù)湎盗幸弧?/p>

【集成電源開關(guān)拓?fù)湎盗卸?--負(fù)載開關(guān)】

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前言

一、分立負(fù)載開關(guān)電路

1.1 PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路1

1.2 PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路2

?1.3 PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路3

?1.?4?PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路4

?1.5?NMOS分立負(fù)載開關(guān)電路

二、集成負(fù)載開關(guān)介紹

2.1?集成負(fù)載開關(guān)框圖

2.2? 集成負(fù)載開關(guān)datasheet中的參數(shù)

2.3 集成負(fù)載開關(guān)的導(dǎo)通特性

三、分立負(fù)載開關(guān)與集成負(fù)載開關(guān)對比

四、集成負(fù)載開關(guān)選型與設(shè)計注意事項(xiàng)

?4.1 NMOS 與 PMOS

4.2 導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RON)

4.3 電壓 (VIN) 和電流 (IMAX) 額定值

4.4 關(guān)斷電流 (ISD) 和靜態(tài)電流 (IQ)

4.5 上升時間 (tR)

?4.6 快速輸出放電 (QOD)

4.7 封裝尺寸

4.8 輸入和輸出電容

4.9 散熱注意事項(xiàng)

五、總結(jié)

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前言

? ? 負(fù)載開關(guān)是用于開啟和關(guān)閉系統(tǒng)中的電源軌的電子繼電器。? 負(fù)載開關(guān)可用于多種不同的應(yīng)用，包括但不限于： ? 配電 ? 上電時序控制和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換 ? 減小待機(jī)模式下的漏電流 ? 控制上電時間，減少浪涌電流 ? 控制下電時間，避免下電太慢導(dǎo)致其他問題 前面3條是負(fù)載開關(guān)的核心，后面兩條不是所有的負(fù)載開關(guān)都具有的。 ? ? 典型的負(fù)載開關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用如下。包括一個電源和多個需要不同負(fù)載電流的負(fù)載。系統(tǒng)必須通過多個電源開關(guān)獨(dú)立控制這些負(fù)載，包括打開時間、打開的速度等。該電源開關(guān)可以使用離散的MOSFET電路或集成的負(fù)載開關(guān)來實(shí)現(xiàn)

? ? 本文將介紹什么是分立電路負(fù)載開關(guān)、什么是集成負(fù)載開關(guān)，分立和集成負(fù)載開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)。集成負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用場景以及選擇注意事項(xiàng)。

一、分立負(fù)載開關(guān)電路

1.1 PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路1

? ? 下圖是一個非常簡單的分立負(fù)載開關(guān)電路，只需要用到一個PMOS管和一個GPIO信號，GPIO連接到MOS管的柵極。當(dāng)GPIO為高電平時，MOS管關(guān)閉。當(dāng)GPIO為低電平的時候，MOS管打開。

? ? 這個電路最大的優(yōu)點(diǎn)就是簡單，那它的缺點(diǎn)是什么呢？

? ? 下面來看看上電過程中這個電路的實(shí)際表現(xiàn) ，如下圖：可以看到在開關(guān)打開過程中，輸入電源出現(xiàn)了較大的跌落。

? ? ?這是因?yàn)樵陂_關(guān)打開瞬間，輸出電容會導(dǎo)致較大的浪涌電流，從而導(dǎo)致輸入電源瞬間跌落。上面的電路中，我們已經(jīng)讓輸入電容取值是輸出電容的10倍，如果輸入電容更小，輸出電源跌落會更大。

? ? ?電源電壓跌落只是不好的結(jié)果，根本點(diǎn)是浪涌電流。為了方便看出浪涌電流的大小，我們先將1Ω負(fù)載電阻去掉，然后觀察到開關(guān)導(dǎo)通過程中的表現(xiàn)如下：

? ? ? 可以看出，僅4.7uF的電容，就會產(chǎn)生將近2A的浪涌電流。而浪涌電流大小是跟電容值成正比的。如果輸出電容增大，浪涌電流可能會更大。（INRUSH =CLOAD*dV/?dt）

? ? 大的浪涌電流會導(dǎo)致輸入電源電壓下降、如果該輸入電源還給其他模塊供電，可能會導(dǎo)致其他模塊因?yàn)榈蛪簩?dǎo)致復(fù)位。另外大的浪涌電流也可能導(dǎo)致芯片\連接器\PCB 等過流發(fā)熱損壞。

? ? 另外用PMOS作為開關(guān)還有一個缺點(diǎn)，輸入電壓最大值有限制，如下圖，Vgate-VIN要小于VGS(th)，比如VGS(th)min=-1V，Vgate=3.3V ，則VIN 不能超過4.3V，否則MOS將會一直打開，無法關(guān)閉。

? ? ?上述電路可以在MOS管柵極串聯(lián)一個電阻來降低浪涌電流，如下圖：

? ? ?串聯(lián)電阻與GS之間的電容組成RC電路，可以MOS管的開關(guān)時間變長，從而使輸出電壓上升速度變慢，根據(jù)IINRUSH =CLOAD*dV/?dt，dt增大，IINRUSH會減小。實(shí)際測試結(jié)果如下：

? ? ?可以看出，加了20k串阻后，電壓跌落很小。在PMOS的柵極上增加串阻有助于增加輸出的上升時間，同時也增加了PMOS關(guān)閉時的下降時間。對于需要快速釋放輸出負(fù)載以加快系統(tǒng)運(yùn)行的系統(tǒng)來說，這可能是一個缺點(diǎn)。

1.2 PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路2

? ? 在上面分立電路的基礎(chǔ)上增加一個NMOS（也可以是一個三極管）和一個電阻，構(gòu)成第二種分立負(fù)載開關(guān)電路，如下圖所示：當(dāng)GPIO輸出高電平到ON管腳，NMOS導(dǎo)通，PMOS的柵極為低電平，從而使得PMOS導(dǎo)通，電源從VIN流到VOUT。

? ? ?同理，通過分析電路的開關(guān)特性來評估該電路的性能。上面電路在PMOS打開過程如下：

可以看到，輸入電源的跌落持續(xù)時間變短了（輸出電壓的上升時間更長了），跌落的幅度幾乎沒有變化。

? ? ?同理，去掉負(fù)載電阻1Ω，觀察最大的浪涌電流，還是2A左右。

? ? 不過這個電路還是解決了上個電路的一個問題，VINmax的限制。

? ?這個電路多了一個缺點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通的時候，會有一個漏電路徑，如下圖所示，導(dǎo)致工作時功耗增加，

? ? ?同理，該電路也可以在PMOS的柵極串聯(lián)一個電阻，用來降低浪涌電流，如下圖：

? ? ?串聯(lián)電阻后的表現(xiàn)如下：

?1.3 PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路3

? ? 在分立負(fù)載開關(guān)電路2的基礎(chǔ)上，還可以在PMOS的柵極與漏極之間并聯(lián)一個電容，減緩柵極電壓變化速度，從而減緩VOUT的上升速度，降低浪涌電流。如下圖所示：

?其開通過程中特性曲線如下：

? ? ?可以看出，與第1、2個分立負(fù)載電路相比，輸入電壓沒有明顯跌落。但是有另外一個問題，就是輸出電壓和電流出現(xiàn)短暫負(fù)值。當(dāng)VIN應(yīng)用于電路且ON為低電平時，PMOS的柵極和漏極之間的電容器被充電到VIN值。當(dāng)ON為高電平，PMOS的柵極從VIN拉到地。由于電容器兩端的電壓不能瞬間改變，PMOS輸出VOUT上的電壓也被拉低，這導(dǎo)致VOUT上出現(xiàn)負(fù)電壓。一旦PMOS的柵極放電完成，輸出電壓就能夠上升到VIN的值。

? ? 負(fù)電壓不僅會損壞負(fù)載開關(guān)下游的設(shè)備，還會導(dǎo)致系統(tǒng)中部件的栓鎖和ESD問題。

? ??與電路#2一樣，該電路也具有從VIN到地面的放電路徑，當(dāng)PMOS打開時，導(dǎo)致電流從VIN泄漏。

? ? 該電路還有一個獨(dú)特的缺點(diǎn)，當(dāng)VIN首次上電時，即使此時ON為低電平，NMOS關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。PMOS 柵極與漏極之間的大電容會導(dǎo)致柵極的電壓上升較慢，從而導(dǎo)致PMOS誤導(dǎo)通。如下圖：這將導(dǎo)致大的浪涌電流和輸出電壓，這可能會無打開負(fù)載，并對電源造成壓力。這種情況在使用可更換電池的系統(tǒng)中尤其普遍，因?yàn)榧尤胍粋€新電池會導(dǎo)致VIN很快從0V轉(zhuǎn)到電池電壓。

?1.?4?PMOS分立負(fù)載開關(guān)電路4

? ? 實(shí)際應(yīng)用路中，使用的分立開關(guān)電路 如下圖，將電阻、電容并聯(lián)在PMOS的柵極與源極之間，產(chǎn)生一個RC延遲，從而減少涌入電流和減慢PMOS的開關(guān)速度。另外從PMOS的柵極串聯(lián)電阻，也可以以減緩輸出上升時間。

? ? 其開通特性如下圖，輸入電壓基本不會跌落，浪涌電流持續(xù)時間也較短。相對與集成負(fù)載開關(guān)，浪涌電流是非線性變化的，不是可控的。

?1.5?NMOS分立負(fù)載開關(guān)電路

? ? 下圖是一個簡單的NMOS負(fù)載開關(guān)電路，該電路對輸入電壓VIN的最大值有限制，VIN需要小于Vgate-VGS 。

? ? 為了解決VIN限制問題，可以在上述電路基礎(chǔ)上，增加一個電荷泵電路，使用電荷泵，可以實(shí)現(xiàn)NMOS的高VGS，并且使驅(qū)動電路的導(dǎo)通電阻降低。當(dāng)然與PMOS一樣，也會存在浪涌電流問題。如果需要減少浪涌電流，也還需要增加其他一些分立器件。

二、集成負(fù)載開關(guān)介紹

2.1?集成負(fù)載開關(guān)框圖

? ? 大部分集成負(fù)載開關(guān)包含四個引腳：輸入電壓引腳、輸出電壓引腳、使能引腳和接地引腳。其內(nèi)部框圖如下：

?

? ? （1）. 導(dǎo)通 FET 是負(fù)載開關(guān)的主要元件，它決定了負(fù)載開關(guān)可處理的最大輸入電壓和最大負(fù)載電流。 負(fù)載開關(guān) 的導(dǎo)通電阻是導(dǎo)通 FET 的特性，將用于計算負(fù)載開關(guān)的功耗。 導(dǎo)通 FET 既可以是 N 溝道 FET，也可以 是 P 溝道 FET，這將決定負(fù)載開關(guān)的架構(gòu)。 ? （2）. 柵極驅(qū)動器以控制方式對 FET 的柵極進(jìn)行充放電，從而控制器件的上升時間。 ? （3）. 控制邏輯由外部邏輯信號驅(qū)動。 它控制了導(dǎo)通 FET 和其它模塊（如快速輸出放電模塊、充電泵和帶保護(hù) 功能的模塊）的接通和關(guān)斷。 ?（4）. 并非所有負(fù)載開關(guān)中均包含電荷泵。 電荷泵用于帶有 N 溝道 FET 的負(fù)載開關(guān)，因?yàn)闁艠O和源極 (VOUT) 間需要有正差分電壓才能正確接通 FET。 ?（5）. 快速輸出放電模塊是一個連接 VOUT 到 GND 的片上電阻，當(dāng)通過 ON 引腳禁用器件時，該電阻導(dǎo)通。 這將對輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放電，從而防止輸出浮空。 對于帶有快速輸出放電模塊的器件，僅當(dāng) VIN 和 VBIAS 處于工作范圍內(nèi)時，此功能才有效。 （6）. 不同的負(fù)載開關(guān)中還包括其它功能。 這些功能包括但不限于熱關(guān)斷、限流和反向電流保護(hù)等。

2.2? 集成負(fù)載開關(guān)datasheet中的參數(shù)

? ? 下面列出了負(fù)載開關(guān)的常見數(shù)據(jù)表參數(shù)和定義。 ?? ? ? ? 輸入電壓范圍 (VIN) – 這是負(fù)載開關(guān)可支持的輸入電壓范圍。 ? ? ? 偏置電壓范圍 (VBIAS) – 這是負(fù)載開關(guān)可支持的偏置電壓范圍。 為負(fù)載開關(guān)的內(nèi)部模塊供電可能需要 此參數(shù)，具體取決于負(fù)載開關(guān)的架構(gòu)。 ? ? ? 最大連續(xù)電流 (IMAX) – 這是負(fù)載開關(guān)可支持的最大連續(xù)直流電流。 ? ? ? 導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RON) – 這是在 VIN 引腳與 VOUT 引腳間測得的電阻，其中考慮了封裝和內(nèi)部導(dǎo)通 FET 的電阻。 ? ? ? 靜態(tài)電流 (IQ) – 這是為器件的內(nèi)部模塊供電所需的電流量，以 VOUT 上沒有任何負(fù)載時流入 VIN 引 腳的電流為測量值。 ? ? ? 關(guān)斷電流 (ISD) – 這是禁用器件時流入 VIN 的電流量。 ? ? ? ON 引腳輸入漏電流 (ION) – 這是 ON 引腳上施加高電壓時流向 ON 引腳的電流量。 ? ? ? 下拉電阻 (RPD) – 這是禁用器件時從 VOUT 到 GND 的下拉電阻值。

2.3 集成負(fù)載開關(guān)的導(dǎo)通特性

如下圖，以TI的TPS22919負(fù)載開關(guān)為例，電壓5V，電流1A，負(fù)載電容100μF。

?

? ??控制的上升時間確保了較低的浪涌電流和輸入電壓下降，且不需要使用任何外部組件。

?

三、分立負(fù)載開關(guān)與集成負(fù)載開關(guān)對比

? ? ?如下圖所示，分立負(fù)載開關(guān)電路1 簡單、價格相低。但是占用PCB面積較大、且基本沒有保護(hù)功能。集成負(fù)載開關(guān)在占用PCB面積小、具有強(qiáng)大的保護(hù)功能，價格稍貴。如果用分立器件要實(shí)現(xiàn)接近同樣的保護(hù)功能，成本、PCB面積都要高很多。

? ? 因此，如果系統(tǒng)對保護(hù)功能沒有過高要求，可以使用簡單的分立負(fù)載開關(guān)1，否則建議選用集成負(fù)載開關(guān)。?

四、集成負(fù)載開關(guān)選型與設(shè)計注意事項(xiàng)

?4.1 NMOS 與 PMOS

? ? 在 NMOS 器件中，通過使柵極電壓高于源極電壓來使導(dǎo)通 FET 接通。 通常，源極電壓與 VIN 端子處于相同電勢。 要使柵極和源極間產(chǎn)生上述電壓差，需要一個電荷泵。 使用電荷泵將增大器件的靜態(tài)電流。
? ? 在 PMOS 器件中，通過使柵極電壓低于源極電壓來使導(dǎo)通 FET 接通。 PMOS 器件的架構(gòu)無需電荷泵，因此其靜態(tài)電流比 NMOS 器件的靜態(tài)電流低。基于 PMOS 的架構(gòu)與基于 NMOS 的架構(gòu)的一個主要差別是，基于 PMOS 的負(fù)載開關(guān)在低電壓下性能欠佳，因?yàn)榈蛪合耉GS低，導(dǎo)通電阻RDSON大。而 NMOS 器件在低輸入電壓應(yīng)用中性能良好。

4.2 導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RON)

? ? 導(dǎo)通狀態(tài)電阻 (RON) 是一個極為重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了負(fù)載開關(guān)的壓降和功耗。 RON 越大，負(fù)載開關(guān)的壓降越大，功耗越高。

? ? 其中，

?Vmax = VIN 到 VOUT 的最大壓降
ILOAD = 負(fù)載電流
RON, max = 給定 VIN 對應(yīng)的器件最大導(dǎo)通電阻
IQ = 負(fù)載開關(guān)的靜態(tài)電流

4.3 電壓 (VIN) 和電流 (IMAX) 額定值

? ? 決定使用哪種負(fù)載開關(guān)時的重要考慮因素之一是應(yīng)用所需的電壓和電流。 負(fù)載開關(guān)必須能夠支持穩(wěn)態(tài)工作期間所需的直流電壓和電流，以及瞬變電壓和峰值電流。 需要注意的是，一些負(fù)載開關(guān)需要偏置電壓來開啟器件和偏置內(nèi)部電路。 此偏置電壓與輸入電壓無關(guān)。

4.4 關(guān)斷電流 (ISD) 和靜態(tài)電流 (IQ)

? ? 靜態(tài)電流是負(fù)載開關(guān)接通時消耗的電流。 除 I2R 損耗外，靜態(tài)電流還將決定負(fù)載開關(guān)接通時的功耗量。 如果負(fù)載電流足夠大，則靜態(tài)電流引起的功耗可忽略不計。
? ? 關(guān)斷電流決定了負(fù)載開關(guān)通過 ON 引腳被禁用時的功耗量。 使用負(fù)載開關(guān)切斷子系統(tǒng)電源可顯著降低電源軌的待機(jī)功耗。

4.5 上升時間 (tR)

? ? 上升時間因器件而異。 上升時間可能需要較短，也可能較長，具體取決于應(yīng)用。 此外，浪涌電流與上升時間成反比。 了解系統(tǒng)所能接受的浪涌電流是十分有益的。

其中?

INRUSH = CL 產(chǎn)生的浪涌電流的大小
CL = VOUT 上的總電容
dVOUT = 啟用器件時 VOUT 的電壓變化
dt = VOUT 電壓變化 dVOUT 所用的時間

?4.6 快速輸出放電 (QOD)

? ? ?一些負(fù)載開關(guān)具有內(nèi)部電阻，該電阻會在開關(guān)關(guān)斷時將輸出拉至地，以避免輸出浮空。 要使快速輸出放電功能起作用，輸入電壓引腳上的電壓需處于工作范圍內(nèi)。
? ? 快速輸出放電功能有諸多好處，例如：
? ? ? 輸出不會浮空并且始終處于已確定狀態(tài)。
? ? ? 下游模塊始終完全關(guān)閉。
? ? 不過，仍有應(yīng)用無法從快速輸出放電功能中受益。
? ? ? 如果負(fù)載開關(guān)的輸出與電池相連，則通過 ON 引腳禁用負(fù)載開關(guān)時，快速輸出放電會導(dǎo)致電池電量耗盡。
? ? ? 如果兩個負(fù)載開關(guān)用作雙輸入單輸出多路復(fù)用器（其中，二者輸出連在一起），則負(fù)載開關(guān)無法提供快速輸出放電功能。 否則，快速輸出放電期間將持續(xù)浪費(fèi)電能，因?yàn)橹灰ㄟ^ ON 引腳禁用負(fù)載開關(guān)，電流就會通過內(nèi)部電阻流向地。

4.7 封裝尺寸

? ? ?集成負(fù)載開關(guān)提供各種不同的形狀和尺寸。 確保應(yīng)用能夠接受負(fù)載開關(guān)是十分重要的。 在空間受限的系統(tǒng)中，可能需要選擇較小的封裝尺寸。 例如，可能不需要使用 0.4mm 間距的器件，所以選擇部件時不應(yīng)考慮0.4mm 間距的器件。 因此，選擇器件時應(yīng)考慮封裝尺寸。

4.8 輸入和輸出電容

? ? 在負(fù)載開關(guān)應(yīng)用中，應(yīng)放置輸入電容，以限制由流入已放電的負(fù)載電容的瞬變浪涌電流所導(dǎo)致的輸入電源壓降。 強(qiáng)烈建議在 VIN 和 GND 之間靠近 VIN 端子的位置放置 1 μF 電容 (CIN)。 較大的電容將降低大電流應(yīng)用期間的壓降。 盡管強(qiáng)烈推薦，但這并非負(fù)載開關(guān)工作所必需。
? ? 移除電源時，VOUT 和 GND 之間的總輸出電容 (CL) 可能會使 VOUT 上的電壓超過 VIN 上的電壓，對于不具備反向電路保護(hù)功能的器件，這可能導(dǎo)致電流從 VOUT 經(jīng)導(dǎo)通 FET 中的體二極管流向 VIN。 為防止出現(xiàn)這種情況，建議（但不要求）輸入電容和負(fù)載電容保持 10:1 的比值。

4.9 散熱注意事項(xiàng)

? ? 最大 IC 結(jié)溫應(yīng)限制為絕對最大值表中指示的正常工作條件下的最大結(jié)溫。 要計算在給定的輸出電流和環(huán)境溫度下的最大允許功耗 PD(max)，請使用公式：

其中：
PD(max) = 最大允許功耗
TJ(max) = 最大允許結(jié)溫
TA = 器件的環(huán)境溫度
θJA = 結(jié)點(diǎn)到空氣熱阻 此參數(shù)很大程度上取決于電路板布局。?

五、總結(jié)

? ? 本文介紹了負(fù)載開關(guān)相關(guān)知識，包括定義、應(yīng)用場景、工作原理等。另外詳細(xì)介紹了幾種分立負(fù)載開關(guān)電路、集成負(fù)載開關(guān)電路，并對比了分立負(fù)載開關(guān)電路與集成負(fù)載開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后介紹負(fù)載開關(guān)選型和設(shè)計注意事項(xiàng)。
? ? 關(guān)于分立和集成負(fù)載開關(guān)的選擇，如果系統(tǒng)對保護(hù)功能沒有過高要求，可以使用簡單的分立負(fù)載開關(guān)（簡單、價格相低），否則建議選用集成負(fù)載開關(guān)。

參考文檔：

1、Basics of Load Switches--TI

2、Integrated Load Switches Versus Discrete MOSFETs--TI

3、Selecting a Load Switch to Replace a Discrete Solution--TI

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【集成电源开关拓扑系列二---负载开关】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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