集成負載開關：一款可簡化無線應用子系統(tǒng)負載管理的簡單、快速解決方案

電池供電系統(tǒng)中正越來越多地采用集成電源開關，旨在斷開所有未用子系統(tǒng)。這些應用包括 RF 功率放大器、無線局域網(wǎng) (WLAN) 或藍牙® 模塊、LCD 顯示器等等，其目的是減少漏電流，或者通過一個穩(wěn)定電源來配電。在諸如通信基礎設施的非便攜式應用中，人們現(xiàn)在更多地考慮使用負載開關，目的是要對系統(tǒng)總功耗進行優(yōu)化，以符合節(jié)能或者綠色環(huán)保規(guī)定。

本文將討論在無線應用中對負載進行開關操作時您需要考慮的一些重要規(guī)范。我們還會介紹一些傳統(tǒng)的解決方案，并表明如何使用集成負載開關來創(chuàng)建一種經(jīng)過優(yōu)化且易于實施的解決方案。

大多數(shù)便攜式電池供電無線應用（移動電話、便攜式消費類電子產(chǎn)品、筆記本電腦或者其他使用 WLAN、藍牙或任何其他無線協(xié)議的便攜式設備）以及越來越多在電磁場環(huán)境（例如：RF 微波子系統(tǒng)等）下工作的非電池供電應用都面臨如何管理其未用子系統(tǒng)功耗的挑戰(zhàn)。這樣做的目的是在符合嚴格的空間和成本規(guī)定的同時優(yōu)化其功耗預算。

降低系統(tǒng)總功耗預算普遍使用的一種簡單方法是關閉那些未使用的子系統(tǒng)。通過在電源軌上安裝一個負載開關并在需要的時候連接和斷開該電源軌可以輕松地實現(xiàn)上述方法。例如，我們可以在不使用的時候關閉某個 WLAN 電源模塊，從而消除子系統(tǒng)漏電帶來的電流損耗。使用同樣的方法，越來越多的移動電話廠商往往會關閉閑置未使用的 RF 功率放大器，因為其存在大量的漏電流。在許多通信基礎設施應用中，一些子系統(tǒng)會在夜間關閉以降低總漏電，因為夜間的數(shù)據(jù)處理要求并沒有晝間那么高。

負載開關離散實施一般包括一個功率 MOSFET（通常為一個 p-通道 FET，但也可根據(jù)應用需要使用 n-通道），其門極偏置以獲得要求的性能。MOSFET 偏置電路通常包括一個 NMOS 以兼容低壓控制信號，但為了提高功率 FET 的性能其構造更加復雜（例如：一個充電泵）。

理想情況下，您應該有一個與其輸入一致的負載開關輸出。但是，在實際運行中，由于存在開關的寄生效應，輸出信號改變了。

要想設計一款基于負載開關的解決方案，下面是一些您需要考慮的最為重要的參數(shù)：
•rON –通 FET 漏極到源極的導通狀態(tài)電阻
•IMAX 和 IPLS – 最大連續(xù)電流及最大脈沖電流
•tRISE – 上升時間
•VIH/VIL – 控制閾值
•ICC 和 ISHUTDOWN – 靜態(tài)電流和關斷電流
•輸出放電特性

導通電阻明顯是一個關鍵規(guī)范，因為它決定了流經(jīng) FET 的壓降情況。低額定電流（200mA）的應用并不需要非常低的導通電阻，然而高電流的一些應用通常會要求較低的 rON FET，目的是最小化壓降和相關功耗。流經(jīng)開關的電壓損耗情況可通過公式 來進行簡單的計算。

除了設計人員要對其進行開關操作的最大連續(xù)電流以外，考慮開關能夠接受的最大脈沖電流也至關重要。在無線應用中，一些負載由溫和的連續(xù)電流組成，而這些電流的后面緊跟著 RF 功率放大器帶來的電流脈沖。例如，占空比為 12.5% 時，576µS 時間內(nèi) GSM/GPRS 突發(fā)傳輸會吸取高達 1.7A 的電流。因此，對設計進行一定調(diào)整以符合這類脈沖電流要求很重要。

您需要考慮的另一個重要參數(shù)是開關首次開啟時產(chǎn)生的浪涌電流。如果自由開啟開關，同時也取決于輸出電容的大小程度，開關輸出會出現(xiàn)大浪涌電流帶來的電源軌壓降，而其最終將影響整個系統(tǒng)的功能性。避免出現(xiàn)這種浪涌電流的一種簡單方法是延長開關的上升時間。這樣便可緩慢地對輸出電容器充電，從而降低電流峰值。為了控制功率 FET 的上升時間，可嘗試使用一個外部電阻-電容網(wǎng)絡。

另外，開關從“開啟”轉(zhuǎn)換到“關閉”狀態(tài)時，一些用戶不喜歡電源軌浮動。因此，在關閉開關時，可利用一個附加晶體管來下拉接地輸出。

考慮過這些重要問題以后，對于一名經(jīng)驗豐富的設計人員來說，基于離散式半導體組件來實施一款對系統(tǒng)不同負載進行開關的解決方案就是一件十分簡單的事情了。但是，從零開始實施這種解決方案可能會花費大量的時間。更為重要的是，從解決方案體積和成本的角度來看，其可能并非最佳。一個基本負載開關包括由一個功率 PMOS FET、兩個 NMOS FET、一個負載電阻（讓其兼容低壓邏輯信號，并在閑置不用的時候?qū)壏烹姡┮约耙粋€控制上升時間和避免浪涌電流的 RC 時間常數(shù)組成。這種解決方案至少使用 6 個組件，并要求 8mm2 到 20 mm2 以上的空間，具體取決于導通電阻要求和所使用的封裝類型。

為了減少設計工作量并縮短產(chǎn)品上市時間，半導體供應商們推出了一些易于實施、成熟、完全合格的集成負載開關作為其系列產(chǎn)品的組成部分，例如：TPS22924C或者 TPS22902 等。諸如此類的 IC 均具有我們前面介紹的單個超小型封裝特性。用戶現(xiàn)在可以在減少 90% 板級空間需求的同時簡化其子系統(tǒng)負載管理，如圖 1 所示。

圖 1 100-mOhm 和 10-mOhm 開關要求離散式解決方案與負載開關 IC 空間分析對比

結論

使用集成負載開關，是實施分布式電源架構并優(yōu)化子系統(tǒng)功耗管理的一種簡單方法。因其靈活性、易于實現(xiàn)性，以及更少的組件數(shù)目和更高的總可靠性——最終帶來更短的產(chǎn)品上市時間，集成負載開關解決了廣大設計人員面臨的諸多無線應用難題。