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【集成電源開關拓撲系列一】

【集成電源開關拓撲系列二---負載開關】

文章目錄

前言

一、分立負載開關電路

1.1 PMOS分立負載開關電路1

1.2 PMOS分立負載開關電路2

?1.3 PMOS分立負載開關電路3

?1.?4?PMOS分立負載開關電路4

?1.5?NMOS分立負載開關電路

二、集成負載開關介紹

2.1?集成負載開關框圖

2.2? 集成負載開關datasheet中的參數

2.3 集成負載開關的導通特性

三、分立負載開關與集成負載開關對比

四、集成負載開關選型與設計注意事項

?4.1 NMOS 與 PMOS

4.2 導通狀態電阻 (RON)

4.3 電壓 (VIN) 和電流 (IMAX) 額定值

4.4 關斷電流 (ISD) 和靜態電流 (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

五、總結

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前言

? ? 負載開關是用于開啟和關閉系統中的電源軌的電子繼電器。? 負載開關可用于多種不同的應用，包括但不限于： ? 配電 ? 上電時序控制和電源狀態轉換 ? 減小待機模式下的漏電流 ? 控制上電時間，減少浪涌電流 ? 控制下電時間，避免下電太慢導致其他問題 前面3條是負載開關的核心，后面兩條不是所有的負載開關都具有的。 ? ? 典型的負載開關系統應用如下。包括一個電源和多個需要不同負載電流的負載。系統必須通過多個電源開關獨立控制這些負載，包括打開時間、打開的速度等。該電源開關可以使用離散的MOSFET電路或集成的負載開關來實現

? ? 本文將介紹什么是分立電路負載開關、什么是集成負載開關，分立和集成負載開關的優缺點。集成負載開關的應用場景以及選擇注意事項。

一、分立負載開關電路

1.1 PMOS分立負載開關電路1

? ? 下圖是一個非常簡單的分立負載開關電路，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GPIO為高電平時，MOS管關閉。當GPIO為低電平的時候，MOS管打開。

? ? 這個電路最大的優點就是簡單，那它的缺點是什么呢？

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

? ? ?這是因為在開關打開瞬間，輸出電容會導致較大的浪涌電流，從而導致輸入電源瞬間跌落。上面的電路中，我們已經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果，根本點是浪涌電流。為了方便看出浪涌電流的大小，我們先將1Ω負載電阻去掉，然后觀察到開關導通過程中的表現如下：

? ? ? 可以看出，僅4.7uF的電容，就會產生將近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，可能會導致其他模塊因為低壓導致復位。另外大的浪涌電流也可能導致芯片\連接器\PCB 等過流發熱損壞。

? ? 另外用PMOS作為開關還有一個缺點，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，無法關閉。

? ? ?上述電路可以在MOS管柵極串聯一個電阻來降低浪涌電流，如下圖：

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

? ? ?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關閉時的下降時間。對于需要快速釋放輸出負載以加快系統運行的系統來說，這可能是一個缺點。

1.2 PMOS分立負載開關電路2

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

? ? ?同理，通過分析電路的開關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，當開關導通的時候，會有一個漏電路徑，如下圖所示，導致工作時功耗增加，

? ? ?同理，該電路也可以在PMOS的柵極串聯一個電阻，用來降低浪涌電流，如下圖：

? ? ?串聯電阻后的表現如下：

?1.3 PMOS分立負載開關電路3

? ? 在分立負載開關電路2的基礎上，還可以在PMOS的柵極與漏極之間并聯一個電容，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短暫負值。當VIN應用于電路且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，這導致VOUT上出現負電壓。一旦PMOS的柵極放電完成，輸出電壓就能夠上升到VIN的值。

? ? 負電壓不僅會損壞負載開關下游的設備，還會導致系統中部件的栓鎖和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PMOS打開時，導致電流從VIN泄漏。

? ? 該電路還有一個獨特的缺點，當VIN首次上電時，即使此時ON為低電平，NMOS關處于關閉狀態。PMOS 柵極與漏極之間的大電容會導致柵極的電壓上升較慢，從而導致PMOS誤導通。如下圖：這將導致大的浪涌電流和輸出電壓，這可能會無打開負載，并對電源造成壓力。這種情況在使用可更換電池的系統中尤其普遍，因為加入一個新電池會導致VIN很快從0V轉到電池電壓。

?1.?4?PMOS分立負載開關電路4

? ? 實際應用路中，使用的分立開關電路 如下圖，將電阻、電容并聯在PMOS的柵極與源極之間，產生一個RC延遲，從而減少涌入電流和減慢PMOS的開關速度。另外從PMOS的柵極串聯電阻，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，浪涌電流持續時間也較短。相對與集成負載開關，浪涌電流是非線性變化的，不是可控的。

?1.5?NMOS分立負載開關電路

? ? 下圖是一個簡單的NMOS負載開關電路，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上，增加一個電荷泵電路，使用電荷泵，可以實現NMOS的高VGS，并且使驅動電路的導通電阻降低。當然與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、集成負載開關介紹

2.1?集成負載開關框圖

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

?

? ? （1）. 導通 FET 是負載開關的主要元件，它決定了負載開關可處理的最大輸入電壓和最大負載電流。 負載開關 的導通電阻是導通 FET 的特性，將用于計算負載開關的功耗。 導通 FET 既可以是 N 溝道 FET，也可以 是 P 溝道 FET，這將決定負載開關的架構。 ? （2）. 柵極驅動器以控制方式對 FET 的柵極進行充放電，從而控制器件的上升時間。 ? （3）. 控制邏輯由外部邏輯信號驅動。 它控制了導通 FET 和其它模塊（如快速輸出放電模塊、充電泵和帶保護 功能的模塊）的接通和關斷。 ?（4）. 并非所有負載開關中均包含電荷泵。 電荷泵用于帶有 N 溝道 FET 的負載開關，因為柵極和源極 (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，當通過 ON 引腳禁用器件時，該電阻導通。 這將對輸出節點進行放電，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 VIN 和 VBIAS 處于工作范圍內時，此功能才有效。 （6）. 不同的負載開關中還包括其它功能。 這些功能包括但不限于熱關斷、限流和反向電流保護等。

2.2? 集成負載開關datasheet中的參數

? ? 下面列出了負載開關的常見數據表參數和定義。 ?? ? ? ? 輸入電壓范圍 (VIN) – 這是負載開關可支持的輸入電壓范圍。 ? ? ? 偏置電壓范圍 (VBIAS) – 這是負載開關可支持的偏置電壓范圍。 為負載開關的內部模塊供電可能需要 此參數，具體取決于負載開關的架構。 ? ? ? 最大連續電流 (IMAX) – 這是負載開關可支持的最大連續直流電流。 ? ? ? 導通狀態電阻 (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部導通 FET 的電阻。 ? ? ? 靜態電流 (IQ) – 這是為器件的內部模塊供電所需的電流量，以 VOUT 上沒有任何負載時流入 VIN 引 腳的電流為測量值。 ? ? ? 關斷電流 (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 集成負載開關的導通特性

如下圖，以TI的TPS22919負載開關為例，電壓5V，電流1A，負載電容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。

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三、分立負載開關與集成負載開關對比

? ? ?如下圖所示，分立負載開關電路1 簡單、價格相低。但是占用PCB面積較大、且基本沒有保護功能。集成負載開關在占用PCB面積小、具有強大的保護功能，價格稍貴。如果用分立器件要實現接近同樣的保護功能，成本、PCB面積都要高很多。

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

四、集成負載開關選型與設計注意事項

?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電流。
? ? 在 PMOS 器件中，通過使柵極電壓低于源極電壓來使導通 FET 接通。 PMOS 器件的架構無需電荷泵，因此其靜態電流比 NMOS 器件的靜態電流低。基于 PMOS 的架構與基于 NMOS 的架構的一個主要差別是，基于 PMOS 的負載開關在低電壓下性能欠佳，因為低壓下VGS低，導通電阻RDSON大。而 NMOS 器件在低輸入電壓應用中性能良好。

4.2 導通狀態電阻 (RON)

? ? 導通狀態電阻 (RON) 是一個極為重要的參數，因為它決定了負載開關的壓降和功耗。 RON 越大，負載開關的壓降越大，功耗越高。

? ? 其中，

?Vmax = VIN 到 VOUT 的最大壓降
ILOAD = 負載電流
RON, max = 給定 VIN 對應的器件最大導通電阻
IQ = 負載開關的靜態電流

4.3 電壓 (VIN) 和電流 (IMAX) 額定值

? ? 決定使用哪種負載開關時的重要考慮因素之一是應用所需的電壓和電流。 負載開關必須能夠支持穩態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，一些負載開關需要偏置電壓來開啟器件和偏置內部電路。 此偏置電壓與輸入電壓無關。

4.4 關斷電流 (ISD) 和靜態電流 (IQ)

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

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，具體取決于應用。 此外，浪涌電流與上升時間成反比。 了解系統所能接受的浪涌電流是十分有益的。

其中?

INRUSH = CL 產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)

? ? ?一些負載開關具有內部電阻，該電阻會在開關關斷時將輸出拉至地，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。
? ? 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。
? ? ? 下游模塊始終完全關閉。
? ? 不過，仍有應用無法從快速輸出放電功能中受益。
? ? ? 如果負載開關的輸出與電池相連，則通過 ON 引腳禁用負載開關時，快速輸出放電會導致電池電量耗盡。
? ? ? 如果兩個負載開關用作雙輸入單輸出多路復用器（其中，二者輸出連在一起），則負載開關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浪費電能，因為只要通過 ON 引腳禁用負載開關，電流就會通過內部電阻流向地。

4.7 封裝尺寸

? ? ?集成負載開關提供各種不同的形狀和尺寸。 確保應用能夠接受負載開關是十分重要的。 在空間受限的系統中，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考慮0.4mm 間距的器件。 因此，選擇器件時應考慮封裝尺寸。

4.8 輸入和輸出電容

? ? 在負載開關應用中，應放置輸入電容，以限制由流入已放電的負載電容的瞬變浪涌電流所導致的輸入電源壓降。 強烈建議在 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用期間的壓降。 盡管強烈推薦，但這并非負載開關工作所必需。
? ? 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功能的器件，這可能導致電流從 VOUT 經導通 FET 中的體二極管流向 VIN。 為防止出現這種情況，建議（但不要求）輸入電容和負載電容保持 10:1 的比值。

4.9 散熱注意事項

? ? 最大 IC 結溫應限制為絕對最大值表中指示的正常工作條件下的最大結溫。 要計算在給定的輸出電流和環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) = 最大允許結溫
TA = 器件的環境溫度
θJA = 結點到空氣熱阻 此參數很大程度上取決于電路板布局。?

五、總結

? ? 本文介紹了負載開關相關知識，包括定義、應用場景、工作原理等。另外詳細介紹了幾種分立負載開關電路、集成負載開關電路，并對比了分立負載開關電路與集成負載開關的優缺點。最后介紹負載開關選型和設計注意事項。
? ? 關于分立和集成負載開關的選擇，如果系統對保護功能沒有過高要求，可以使用簡單的分立負載開關（簡單、價格相低），否則建議選用集成負載開關。

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

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】的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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