針對便攜設備的高端負載開關及其關鍵應用參數(shù)

高端負載開關的定義是：它通過外部使能信號的控制來連接或斷開至特定負載的電源(電池或適配器)。相比低端負載開關，高端負載開關“流出”電流至負載，而低端負載開關則將負載接地或者與地斷開，因此它從負載“汲入”電流。

高端負載開關不同于高端電源開關。高端電源開關管理輸出電源，因此通常會限制其輸出電流。相反地，高端負載開關將輸入電壓和電流傳遞給“負載”，并且它不具備電流限制功能。

高端負載開關包含三個部分：

傳輸元件：本質(zhì)上是一個晶體管，通常為一個增強型MOSFET。傳輸元件在線性區(qū)工作，將電流從電源傳輸至負載，就像一個“開關”(與放大器相對應)。

柵極控制電路：向傳輸元件的柵極提供電壓來控制導通或關斷。它還被稱為電平轉(zhuǎn)換電路，外部使能信號通過電平轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生足夠高或者足夠低的柵極電壓(偏置電壓)來全面控制傳輸元 件的導通和關斷。

輸入邏輯電路：主要功能是解釋使能信號，并觸發(fā)柵極控制電路來控制傳輸元件的導通和關斷。

傳輸元件

傳輸元件是高端開關最基本的組成部分。最經(jīng)常考慮的參數(shù)，特別是開關導通時的阻抗(RDSON)，與傳輸元件的結(jié)構(gòu)和特性有直接關系。

由于增強型MOSFET一般在工作期間消耗的電流較少，在關斷期間泄漏的電流也較少，并且具有比雙極晶體管更高的熱穩(wěn)定性，所以被廣泛用作高端負載開關中的傳輸元件。本文將專門介紹基于增強型MOSFET的傳輸元件。增強型MOSFET傳輸元件可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET。

當N溝道FET的柵極電壓(VG)比其源極電壓(VS)和漏極電壓(VD)高出一個閾值(VT)時，N溝道FET就會被完全轉(zhuǎn)換至導通狀態(tài)或者工作于其線性區(qū)。以下式子給出了導通條件的數(shù)學表達式：

VG－VS＝VGS＞VT

VG－VT＞VD

或者是，

VGS－VT＞VDS

其中，VG為柵極電壓、VS為源極電壓、VD為漏極電壓、VT為FET的閾值電壓、VGS為柵－源極壓降、VDS為漏－源極壓降，所有參數(shù)均為正。

圖1：具有內(nèi)置電荷泵的N溝道FET高端負載開關

當N溝道FET導通時，漏極電流ID為正，從漏極流向源極(如圖1和圖2所示)。當P溝道FET的柵極電壓(VG)比其源極電壓(VS)和漏極電壓(VD)低出一個閾值(VT)時，P溝道FET就會被完全轉(zhuǎn)換至導通狀態(tài)或者工作于其線性區(qū)：

　　
圖2：具有額外VBIAS輸入的N溝道FET高端負載開關

VS－VG＝VSG＞VT

VD－VT＞VG

或者是， VSG－VT＞VSD

其中，VG為柵極電壓、VS為源極電壓、VD為漏極電壓、VT為FET的閾值電壓、VSG為源柵極壓降、VSD為源漏極壓降，這里的所有參數(shù)也均為正的。

當P溝道FET處于導通狀態(tài)時，漏極電流ID為負，從源極流向漏極(圖3)。N溝道FET將電子用作“多數(shù)載流子”，與P溝道FET的“多數(shù)載流子”空穴相比，電子具有更高的移動率。這意味著，在相同的物理密度下，N溝道FET比P溝道FET具有更高的跨導，從而使得在導通狀態(tài)期間產(chǎn)生較低的漏－源極阻抗(即RDSON)。N溝道FET的RDSON一般為相同尺寸的P溝道FET的RDSON的1/3~1/2，漏極電流ID也會高出相應的倍數(shù)(未考慮連接線厚度和封裝等其它限制參數(shù))。這還表示，對于相同的RDSON和ID，N溝道FET一般需要較少的硅片，因此它的柵極電容和閾值電壓比P溝道FET要低。

　　
圖3：P溝道FET高端負載開關

此外，由于當開關導通時N溝道FET的VD比VG低VT，并且VD一般與VIN相連，因此有可能傳遞給負載的VIN非常低。理論上講，N溝道FET開關的VIN可以低至接近GND，并且不高于VG-VT。另一方面，P溝道FET開關傳遞給負載的VIN(與VS相連)總是高于VG+VT。但這并不表示在任何情況下選擇傳輸元件時N溝道FET都比P溝道FET好。

如上所述，N溝道FET的一個基本屬性是開關導通時工作在線性區(qū)，VG要比VD高VT。但是，由于VD幾乎總是與VIN(通常是開關的最高電壓)相連，因此VG必須從現(xiàn)有電壓(如外部使能信號EN)進行由低向高的電平轉(zhuǎn)換，或者通過直流偏移進行從低向高的偏置，直流偏移是單個新的高壓軌，通常被稱為“VBIAS”。

如果柵極電壓從使能信號進行從低向高的電平轉(zhuǎn)換，通常需要一個電荷泵作為附加的內(nèi)部電路。電荷泵需要一個內(nèi)置的振蕩器，芯片上至少需要一個“快速”(flying)電容器，從而產(chǎn)生柵極電壓(通常是在導通過程中的多個使能信號)。這當然增加了設計復雜性和硅片大小，從而抵消了N溝道FET因RDSON較低所帶來的硅片縮小的優(yōu)勢。當負載電流相對較低(幾安培)時，電荷泵確實會增加硅片面積，并且增加的面積比RDSON所能縮小的面積要大，這使得N溝道開關解決方案的成本和設計復雜性要高于P溝道開關方案。更多細節(jié)如圖1所示。

如果柵極電壓通過直流偏移VBIAS進行從低向高的偏置，就不再需要電荷泵，從而硅片面積的增加也不再是主要問題。但是由于可能不具備額外的高壓軌(這是大多數(shù)電池供電的設置和器件都需要的)，因此這可能不是系統(tǒng)級的最佳解決方案(圖2)。

而在P溝道FET中，VG通常低于VS(與VIN相連)。只要開關導通時VS保持在VG