負載開關(guān)技術(shù)的發(fā)展在現(xiàn)代應(yīng)用的電源管理中發(fā)揮重要作用

　　作者/Bryson Barney 安森美半導體 應(yīng)用工程師

　　摘要：負載開關(guān)在電源管理和負載保護中發(fā)揮重要作用。在為特定應(yīng)用選擇負載開關(guān)時有一些因素要考慮，此外，現(xiàn)在還可以使用一些性能和功能得以改進的新器件。

　　關(guān)鍵詞：負載開光；電源管理；導通電阻

　　0 引言

　　電源是推動我們現(xiàn)代世界技術(shù)的命脈，我們越來越依賴高科技產(chǎn)品在忙碌的工作中和工作外的生活中幫助我們。管理和控制電源是高科技、低功耗應(yīng)用的一個重要主題。無論是為更大的設(shè)備開發(fā)復(fù)雜的多軌電源系統(tǒng)，還是利用電池供電設(shè)備的最后一小部分電量，電源管理都是設(shè)計人員的首要優(yōu)先項目。

　　在大大小小的系統(tǒng)中，負載開關(guān)在電源管理和負載保護中發(fā)揮重要作用。在為特定應(yīng)用選擇負載開關(guān)時有一些因素要考慮，此外，現(xiàn)在還可以使用一些性能和功能得以改進的新器件。

　　1 標準的負載開關(guān)

　　任何負載開關(guān)的主要功能是連接/斷開電源和負載?？刹捎脙H使用一個簡單的通路MOSFET的分立方案來實現(xiàn)這個功能；但全集成的負載開關(guān)器件通常比分立方案小，減少了器件的數(shù)量，并且提供更強大的功能，包括對過溫、欠電壓和過電流故障條件的檢測和保護等功能。有時還包括反向電流保護，使任何試圖從負載流向源的電流被阻斷。這對于許多應(yīng)用使用的最新的供電標準USB-C尤其有用。所有集成負載開關(guān)至少包括四個引腳——V IN 、V OUT 、GND和EN(Enable)，盡管通常添加其他引腳以支持更多功能并為系統(tǒng)輸出提供保護功能，如圖1所示。

　　除了提供簡單的開關(guān)控制和保護外，負載開關(guān)還可通過控制V OUT 來控制負載導通的速度。通過控制FET柵的充電，在V OUT 的上升時間控制浪涌電流。此軟啟動保護負載不受負載與電源的無控制連接所造成的電流尖峰的影響，特別是在負載不是純電阻的情況下。

　　有些負載開關(guān)還包含一個泄漏電阻器，支持存儲在負載中任何能量的快速放電，在負載開關(guān)關(guān)斷時，消除負載電源引腳上的浮動節(jié)點。

　　2 負載開關(guān)系統(tǒng)使用和配置

　　負載開關(guān)最常見的一個應(yīng)用是管理系統(tǒng)中獨立的電源域。該控制在電池供電設(shè)備中特別有用，防止任何不必要的能量消耗，對獲得最長的電池運行時間至關(guān)重要。

　　負載開關(guān)可用于控制系統(tǒng)中被劃分為邏輯域的各個部分的功率，如圖2所示。在實際使用中，只需要很短時間的部分，如傳感器或發(fā)射/接收電路，只在需要激活的短時間內(nèi)接通電源。

　　此外，針對單個負載有多個電源的系統(tǒng)，如圖3所示，可使用負載開關(guān)。在這樣的系統(tǒng)中，可以控制負載的功率傳輸，例如，從主電源或備用電池供電。

　　復(fù)雜的系統(tǒng)通常需要多個電源軌，在許多情況下，這些軌道必須按照一定的順序工作，以便系統(tǒng)正常運行。例如，可能有必要在啟用無線電發(fā)射機前完全啟動核心處理器，以避免混淆或難以理解的傳輸。

　　雖然可以使用外部微控制器來實現(xiàn)上電序列，從而以正確的時序啟用負載開關(guān)，但如果使用“powergood”輸出，負載開關(guān)還可以提供獨立序列，如圖4所示。通過將一個負載開關(guān)的Power Good引腳鏈接到下一個負載開關(guān)的EN引腳，可“菊鏈(daisychained)”多個負載開關(guān)。如果相位間需要更大的延遲，則可添加一個電容器到接地控制線以增加延遲。

　　3 為應(yīng)用選擇合適的負載開關(guān)

　　目前有許多類型的負載開關(guān)，為設(shè)計人員在為特定應(yīng)用選擇器件時提供廣泛的選擇。雖然最初選擇起來似乎很困難，但通過考慮六個主要參數(shù)，評估選項并找到最佳器件就相對簡單了。

　　能效很重要，而且通常是在應(yīng)用中使用負載開關(guān)的一個關(guān)鍵原因。設(shè)計人員應(yīng)密切關(guān)注所考慮器件的導通電阻R ON 。開關(guān)電阻越低，工作時從V IN 到V OUT 的壓降越低，從而降低了負載開關(guān)的功耗和散熱。

　　在器件最大允許負載電流和輸入電壓(V IN )范圍方面，需要針對應(yīng)用指定正確的額定值。雖然確保針對應(yīng)用有足夠的額定電流，但應(yīng)注意額定值不要過高，因為更大的FET有更高的門極電容，需要更多的能量才能導通。此外，更高額定值的器件也可能更大，更昂貴。

　　靜態(tài)電流(負載開關(guān)開啟時使用的能量)應(yīng)盡可能低，就像任何漏電流 (負載開關(guān)MOSFET關(guān)斷時從電源到負載的電流) 一樣低。

　　最后，對于特定應(yīng)用，響應(yīng)速度對于開關(guān)所需的時間以及任何故障保護操作的時間都至關(guān)重要。該響應(yīng)時間受MOSFET尺寸的影響，器件尺寸越大，需要更多的電荷，因此運行速度越慢。同樣，過度設(shè)計過大的FET會導致更差的瞬態(tài)性能。

　　4 ecoSWITCH?——全面的負載開關(guān)系列

　　安森美半導體的ecoSWITCH TM 系列負載管理器件為設(shè)計人員提供目前同類最佳的導通電阻R ON 。該系列包括20多個不同的產(chǎn)品，并隨著安森美半導體推出新的負載開關(guān)還在不斷壯大陣容。

　　NCP45560僅是ecoSWITCH系列之中的其中一個器件。該器件采用省空間的3 mm x 3 mm DFN12封裝，能持續(xù)高能效地開關(guān)達24 A的電流，導通電阻低至4.1 mΩ。NCP45560極其適用于要求小占位方案的電源管理和熱插拔應(yīng)用，結(jié)合許多保護功能，同時比分立方案大大節(jié)省空間和成本。

　　5 總結(jié)

　　隨著電源需求變得越來越復(fù)雜，對小型便攜式電池供電設(shè)備盡可能高能效工作的要求在增長，負載開關(guān)越來越受歡迎，因為它使設(shè)計人員能實現(xiàn)高能效、精密的電源方案，即使是在最小的設(shè)備中。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第28頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處