電源開關(guān)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

作者：Philippe Pichot，德州儀器 (TI) 戰(zhàn)略市場營銷經(jīng)理

電源開關(guān)的使用較為復(fù)雜，甚至讓大多數(shù)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員都感到困惑，特別是對那些非電源管理專家而言。在各種各樣的應(yīng)用中，例如：便攜式電子產(chǎn)品、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、工業(yè)或電信系統(tǒng)等，廣大設(shè)計(jì)人員正越來越多地使用電源開關(guān)。這些電源開關(guān)的使用方式多種多樣，包括控制、排序、電路保護(hù)、配電甚至是系統(tǒng)電源開啟管理等。當(dāng)然，每一種用法都需要有不同特性的電源開關(guān)解決方案。

本文對不同應(yīng)用中，使用電源開關(guān)時(shí)設(shè)計(jì)人員需要考慮的一些重要規(guī)范和概念進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了一些可能的解決方案，旨在幫助設(shè)計(jì)人員選擇一種最佳的解決方案。

很明顯，在選擇電源開關(guān)以前您應(yīng)該問您自己的第一個(gè)問題是：“我想要用這個(gè)開關(guān)來做什么？”這是一個(gè)簡單的問題，但其答案卻能幫助您定義完美的產(chǎn)品。使用電源開關(guān)的方式有數(shù)種。最為常見的是：

控制、配電和排序（即開啟/關(guān)閉電源軌來啟用某個(gè)子系統(tǒng)或者為多個(gè)負(fù)載配電）

短路或者過電流或過電壓保護(hù)（USB電流限制、傳感器保護(hù)、電源軌短路保護(hù)）

管理接通浪涌電流（即電容充電時(shí)）

選擇電源（即多路復(fù)用或ORing）或者負(fù)載分配。

表 1 概括了電源開關(guān)每種具體使用情況下需要考慮的重要特性。

控制、配電和

排序 短路保護(hù) 浪涌電流管理 電流多路復(fù)用

（ORing）

通過 FET 導(dǎo)通電阻 ° ° ° °

受控轉(zhuǎn)換速率 ° °

過電流保護(hù) (OCP) ° ? ?

過壓保護(hù) (OVP) ? ?

反向電流保護(hù) ? °

功耗 ° ° ° °

解決方案尺寸 ° ? ? ?

輸入電壓范圍 ° ° ° °

最大持續(xù)電流 ° ° ° °

熱保護(hù) ? ° ? ?

控制邏輯，GPIO 兼容性 ° ? ?

° : 需要考慮的重要特點(diǎn) / 特性。

? : 有更好，但非強(qiáng)制特性，也非重要特性。

表 1 具體的應(yīng)用要求

導(dǎo)通電阻、最大電流和輸入電壓范圍

導(dǎo)通電阻 (rON)、最大持續(xù)電流和輸入電壓范圍始終都是需要考慮的關(guān)鍵特性。它們是您在考查任何器件以前需要研究的基本特性。根據(jù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以輕松地知道需要開關(guān)的電流，以及工作電壓的大小。根據(jù)這類信息，您便可以做出初步的選擇。實(shí)際上，如果您需要一個(gè)能夠通過 1.2V 或 36V 的開關(guān)，便可以確定兩種完全不同的產(chǎn)品范圍。

導(dǎo)通電阻會(huì)影響您在開關(guān)上看到的壓降。設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)了解其特定應(yīng)用設(shè)置（電壓、電流）相關(guān)的最大允許壓降。利用公式1可以很容易地計(jì)算得到：

其中，壓降為 VDROP，直通 FET 導(dǎo)通電阻為 rON，而通過開關(guān)的電流為 I。

如果應(yīng)用需要開關(guān)大量的電流，或者對低壓軌（如 1.0-V）進(jìn)行開關(guān)，則需要最小化壓降。因此，導(dǎo)通電阻需要盡可能地低，例如：TPS2292x 系列特有 3.6-V 的14-m Ohm rON。但是，如果要開關(guān)的電流較少，則導(dǎo)通電阻便不是一個(gè)關(guān)鍵問題，您可以選擇一個(gè)約為 1 Ohm 的高導(dǎo)通電阻器件（如 TPS2294x 系列產(chǎn)品）。導(dǎo)通電阻是電源開關(guān)器件裸片尺寸的一個(gè)重要因素，從而也是器件成本的重要原因。您要對其仔細(xì)研究，以選擇最低成本的解決方案。

除設(shè)計(jì)人員關(guān)注的開關(guān)最大持續(xù)電流以外，另一個(gè)重要特性是開關(guān)允許的最大脈沖電流。在某些應(yīng)用中，大多數(shù)時(shí)候要求的負(fù)載均包括中等的持續(xù)電流。但是，當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)要求更多功率時(shí)峰值便顯而易見。GSM/GPRS 發(fā)射脈沖便是一個(gè)較好的例子，其在 12.5% 占空比下 576?S 期間要求高達(dá) 1.7A 的電流。請確定所選用的器件可以支持這種脈沖電流。

功耗和保護(hù)特性

功耗也是需要考慮的一個(gè)重要特性。在作為直通開關(guān)的正常運(yùn)行期間，根據(jù)開關(guān)的導(dǎo)通電阻以及開關(guān)電流，可以計(jì)算得到功耗。利用公式 2，您可以很容易地計(jì)算得到器件的最大功耗。

如果該器件的導(dǎo)通電阻足夠低，則功耗較小，并且對器件工作溫度產(chǎn)生的影響也極小。但是，如果您計(jì)劃使用開關(guān)來保護(hù)電壓軌免受過電流或者短路損害（如USB端口或指紋傳感器保護(hù)電路一樣），則要小心。在這種情況下，您必須選擇一種電流限制開關(guān)，例如：TPS22944 等。如果您不使用電流限制開關(guān)，則功耗會(huì)成為系統(tǒng)可靠性的主要問題。例如，3.3-V 輸入電壓下，作用于一個(gè)非電流限制負(fù)載開關(guān)的 0.9-W 短路（如 TPS22902 的導(dǎo)通電阻為 ~100-mW），會(huì)轉(zhuǎn)換成如公式 3 所示的功耗。

一般來說，這種功耗對于市售的大多數(shù)封裝而言都太高，其可導(dǎo)致故障和可靠性問題。

同樣，使用電流限制開關(guān)的設(shè)計(jì)人員需要確定封裝能夠支持短路狀態(tài)。如果器件達(dá)到電流限制值，則輸出為短路接地時(shí)出現(xiàn)最大功耗。對于如 TPS22945 等具有自動(dòng)重啟時(shí)間 tRESTART 和過電流斷路時(shí)間 tBLANK 的一些器件來說，最大平均功耗如公式 4 所示。

對于那些沒有自動(dòng)重啟環(huán)路（如 TPS22944 等）的器件來說，輸出短路會(huì)使器件工作在恒流狀態(tài)下，從而保證在熱關(guān)斷啟用以前實(shí)現(xiàn)極端情況功耗。這樣，只要導(dǎo)通引腳有效且出現(xiàn)短路，它便在進(jìn)出熱關(guān)斷之間不停地循環(huán)。

市場上有一些電流限制開關(guān)，需要考慮的兩個(gè)主要特性是電流限制最小值（固定電流限制或利用外部電阻編程），以及電流限制精度和響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)應(yīng)用中，電流限制精度并不是一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)槠骷米饕粋€(gè)斷路器（即出現(xiàn)短路時(shí)關(guān)閉開關(guān)）。但是，如 USB 電流限制等一些應(yīng)用的精度就顯得很重要，因?yàn)殚_關(guān)是用作一個(gè)恒流源。

對于一些要開關(guān)大電流或承受過電流的一些應(yīng)用來說，我們建議您選擇具有某種熱保護(hù)特性的器件。當(dāng)發(fā)現(xiàn)器件溫度過高時(shí)，大多數(shù)器件都會(huì)啟用熱關(guān)斷，關(guān)閉 FET 來保護(hù)器件自身，以避免遭受任何潛在的熱損害。

除強(qiáng)制短路保護(hù)的電流限制（或者過電流保護(hù)—OCP）以外，還可以考慮如反向電流阻斷等其他一些保護(hù)特性。

設(shè)計(jì)人員嘗試設(shè)計(jì)一種電源選擇器 (ORing)，或者實(shí)現(xiàn)某種負(fù)載分配時(shí)，反向電流阻斷（也稱作反向電壓保護(hù)）則為必需的。

圖 1 顯示了一個(gè)通過兩個(gè)潛在電源（即 DC 輸入和電池）為負(fù)載供電的電源開關(guān)配置實(shí)例：

圖 1 雙源電源選擇器

對于沒有反向電壓保護(hù)的器件來說，直通 FET 的輸入電壓保持在其輸出電壓以上很重要。否則，輸入將會(huì)通過 FET 主體二極管被鉗位控制，從而使大電流從輸出流至輸入。

在圖 1 實(shí)例中，如果電池為一塊 4.2V（最大）的鋰離子 (Li-Ion) 電池，啟用 DC輸入，并且電壓為 5.0V，則潛在大電流將從負(fù)載流至電池——我們當(dāng)然不希望看到這種結(jié)果！

一種有效的解決方案是使用一款具有反向電壓保護(hù)特性的器件。反向電流保護(hù)一般可以通過使用背靠背 FET，或者在探測到反向電壓狀態(tài)時(shí)開關(guān) PMOS FET 的背柵來實(shí)現(xiàn)。您將會(huì)研究反向電壓比較器跳變點(diǎn)（VOUT – VIN值，即啟用反向電流特性的閾值），以及從反向電壓狀態(tài)到 MOSFET 關(guān)閉的時(shí)間。

可有效用于某些應(yīng)用的另外一種保護(hù)是過電壓保護(hù) (OVP)。該特性在開關(guān)出現(xiàn)過電壓時(shí)，保護(hù)開關(guān)和系統(tǒng)。例如，它可以有效地用于一些 USB 應(yīng)用或者電池應(yīng)用中。

浪涌電流管理

電源開關(guān)的另一種常見用法是對系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流進(jìn)行管理。如果開關(guān)在不受控的情況下開啟，則會(huì)形成巨大的浪涌電流，可導(dǎo)致開關(guān)輸入電源軌壓降。其最終會(huì)影響系統(tǒng)的整體功能。

對大容量輸出電容充電時(shí)，浪涌電流會(huì)很大，需要對其進(jìn)行控制和/或限制。這種浪涌電流可由公式 5 計(jì)算得到：

例如， 和 1?S 升壓時(shí)間的情況下，浪涌電流可以高達(dá) 3A。

避免出現(xiàn)這種浪涌電流的一種簡單方法是減慢開關(guān)的升壓時(shí)間。這樣便可緩慢地對輸出電容充電，并降低電流峰值。在公式 5 的實(shí)例中，200?S 的升壓時(shí)間會(huì)導(dǎo)致 15mA 的浪涌電流，這是可以接受的。

一些情況下，您可能想對一些超大容量電容（數(shù)百 ?F）充電。通常建議選擇非常長的升壓時(shí)間，但是您也可以選擇一種具有高電流限制的開關(guān)。器件將會(huì)在加電時(shí)進(jìn)行電流限制，同時(shí)電容將在電流限制值下獲得充電，其為電源開關(guān)的最大功耗能力。

系統(tǒng)互操作性

任何情況下，在選擇電源開關(guān)時(shí)，都需要認(rèn)真地考慮系統(tǒng)互操作性問題。例如，便攜式應(yīng)用中使用電源開關(guān)啟用和關(guān)閉負(fù)載來優(yōu)化功耗時(shí)，開關(guān)的控制輸入必須與通用、低電壓（1.8-V）兼容，GPIO 至關(guān)重要。另外，當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時(shí)，請確保開關(guān)的浮動(dòng)輸出不影響系統(tǒng)性能。因此，一些用戶可能會(huì)在關(guān)閉時(shí)利用一個(gè)額外晶體管將電源開關(guān)輸出緊密接地，或者使用一個(gè)集成這種下拉接地（如 TPS22902）的集成器件。

另一個(gè)重要的檢查點(diǎn)是設(shè)計(jì)穩(wěn)定系統(tǒng)所使用的輸入和輸出電容。盡管通常不要求一個(gè)輸入電容來穩(wěn)定一些市售的電源開關(guān)，但在輸入電源連接一個(gè) 0.1uF 到 1uF 的低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 電容器時(shí)，卻被認(rèn)為是一種較好的模擬設(shè)計(jì)方法。該電容可應(yīng)對電抗性輸入源，并改善瞬態(tài)響應(yīng)、噪聲及紋波抑制性能。根據(jù)開關(guān)的負(fù)載，您可能會(huì)考慮在開關(guān)的輸出端添加一些額外的儲能電容。如果開關(guān)沒有反向電流阻斷，則強(qiáng)烈建議使用大于輸出電容的輸入電容，否則輸入將會(huì)通過 FET 主體二極管被鉗位控制，從而使強(qiáng)大的電流從輸出端流到輸入端。

參考文獻(xiàn)

作者簡介

Philippe Pichot 現(xiàn)主要負(fù)責(zé) TI 負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品線戰(zhàn)略市場營銷工作。Philippe 畢業(yè)于法國北部高等電子學(xué)院 (Institut Superieur D’Electronique du Nord (ISEN) in Lille, France)，獲電子工程碩士學(xué)位。