在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電源管理是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，多個組件可能需要不同的電源軌，且這些電源軌的上電和斷電順序往往有著嚴格要求。負載開關(guān)作為一種可用于開啟和關(guān)閉系統(tǒng)中電源軌的電子繼電器，在電源排序管理中發(fā)揮著重要作用。

負載開關(guān)的基本工作原理

負載開關(guān)通常由一個功率 MOSFET(金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和相關(guān)的驅(qū)動電路組成。通過控制 MOSFET 的柵極電壓，負載開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電壓(VIN)和輸出電壓(VOUT)之間的導(dǎo)通與斷開。當(dāng)控制信號使能時，MOSFET 導(dǎo)通，電流從 VIN 流向 VOUT，為負載供電;當(dāng)控制信號禁用時，MOSFET 截止，切斷負載的電源供應(yīng)。例如，在常見的負載開關(guān)電路中，ON 引腳用于控制 VIN 和 VOUT 之間開關(guān)的通斷，當(dāng) ON 引腳接收到高電平或低電平信號(取決于負載開關(guān)的類型，有高電平有效和低電平有效之分)時，負載開關(guān)相應(yīng)地導(dǎo)通或截止。

負載開關(guān)管理電源排序的方式

基于硬件連接的電源排序

簡單的串聯(lián)連接排序

一種常見的利用負載開關(guān)實現(xiàn)電源排序的硬件連接方式是串聯(lián)連接多個負載開關(guān)。在這種配置中，將負載開關(guān)排列成在沒有任何處理器干預(yù)的情況下實現(xiàn)上電排序。當(dāng)?shù)谝粋€負載開關(guān)的控制信號(例如來自微控制器的 GPIO 信號)接通時，為負載 1 供電。一旦負載 1 的電壓軌超過第二個負載開關(guān)的輸入高電平(VIH)電平，第二個負載開關(guān)就將接通，為負載 2 供電。以此類推，可實現(xiàn)多個負載的順序上電。盡管這種方式只顯示啟用了一個附加負載開關(guān)，但可進行擴展，讓一條 GPIO 線對多個負載開關(guān)排序。這種簡單的串聯(lián)連接方式成本較低，且無需復(fù)雜的軟件控制，適用于對電源排序要求不高且負載數(shù)量較少的系統(tǒng)。

利用 Power Good(PG)信號排序

很多負載開關(guān)具有一個電源正常(PG)信號，這個信號表示輸出何時完全接通。通過將 PG 信號巧妙連接，可以實現(xiàn)更為精確的電源排序。將第一個負載開關(guān)的 PG 信號連接至第二個負載開關(guān)的啟用引腳，只有在第一個負載開關(guān)穩(wěn)定之后，即其 PG 信號有效時，第二負載切換才會導(dǎo)通。這種方式有效地交錯了電源軌的上電順序，極大地降低了系統(tǒng)上的浪涌電流應(yīng)力。當(dāng)?shù)谝粋€開關(guān)被禁用時，PG 信號將 EN/ON 引腳拉低，并阻止第二個開關(guān)接通，確保了斷電順序的正確性。在一些需要嚴格控制電源軌順序的系統(tǒng)中，如某些處理器和 FPGA 的應(yīng)用，這種基于 PG 信號的電源排序方式尤為重要。

借助軟件控制實現(xiàn)電源排序

通用 I/O(GPIO)控制

在基于微處理器或 FPGA 的應(yīng)用中，微處理器或 FPGA 的通用 I/O(GPIO)引腳可以方便地控制負載開關(guān)。通過編寫相應(yīng)的軟件代碼，微處理器或 FPGA 能夠按照預(yù)定的順序向不同負載開關(guān)的控制引腳發(fā)送使能信號。要為每個電源軌供電，只需將正確的 GPIO 信號發(fā)送給正確的負載開關(guān)即可。在系統(tǒng)啟動過程中，軟件可以先使能為系統(tǒng)中優(yōu)先級較高的組件供電的負載開關(guān)，待這些組件初始化完成后，再依次使能其他負載開關(guān)，從而實現(xiàn)精確的電源排序。這種方式具有很高的靈活性，能夠根據(jù)系統(tǒng)的實際需求和運行狀態(tài)動態(tài)調(diào)整電源排序。

利用 I2C 接口控制

一些高級的負載開關(guān)還支持 I2C 接口，通過 I2C 接口，處理器可以與負載開關(guān)進行通信，實現(xiàn)更為復(fù)雜的電源排序控制。處理器可以通過 I2C 總線向負載開關(guān)發(fā)送指令，不僅可以控制負載開關(guān)的導(dǎo)通和截止，還能對負載開關(guān)的一些參數(shù)，如輸出上升時間等進行配置。在一個具有多個不同類型負載的復(fù)雜系統(tǒng)中，通過 I2C 接口，處理器可以根據(jù)不同負載的特性和要求，分別對各個負載開關(guān)進行精細的控制，從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的電源排序，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

負載開關(guān)在電源排序中解決的關(guān)鍵問題

控制涌入電流

在大多數(shù)系統(tǒng)中，遍布著大量的電容器，以確保不會出現(xiàn)電源軌壓降。但在系統(tǒng)加電初期，為這些電容器充電會導(dǎo)致涌入電流過大，可能超過下游電路的最大電流額定值。如果不對涌入電流進行有效管理，會使得電壓軌處于穩(wěn)壓之外，導(dǎo)致系統(tǒng)進入不利狀態(tài)，甚至損壞電路板連接器和電路板跡線。所有德州儀器(TI)負載開關(guān)都具有一個集成軟啟動功能，某些器件甚至提供針對變化電容負載的可調(diào)上升時間。在電源和電容負載之間放置一個負載開關(guān)，能夠極大地降低接通 / 啟用負載時的涌入電流。通過合理設(shè)置負載開關(guān)的上升時間，使得施加到電容負載上的電壓具有一個受控的上升過程，從而有效避免了涌入電流過大帶來的問題，為系統(tǒng)的穩(wěn)定上電提供了保障。

確保電源軌按序穩(wěn)定工作

很多處理器和 FPGA 具有非常明確的電源排序要求，以及一個特定的電源軌接通順序。不正確的電源排序可能導(dǎo)致組件工作異常、數(shù)據(jù)丟失甚至硬件損壞。負載開關(guān)使?jié)M足這些電源排序要求變得更加簡單，通過實現(xiàn)針對每個電源軌的負載點控制，確保了系統(tǒng)中各個組件能夠在正確的電源條件下穩(wěn)定工作。對于一個包含多個電源軌的系統(tǒng)，通過負載開關(guān)實現(xiàn)精確的電源排序，可以保證系統(tǒng)在啟動和運行過程中，各個組件按照預(yù)定的順序獲得穩(wěn)定的電源供應(yīng)，避免因電源問題引發(fā)的系統(tǒng)故障。

實現(xiàn)系統(tǒng)斷電管理

負載開關(guān)不僅在上電排序中發(fā)揮重要作用，對于系統(tǒng)斷電同樣有效。負載開關(guān)的下降時間由輸出負載對其電容的放電速度決定。為了加快這個放電過程，并且確保輸出端達到 0V 狀態(tài)，某些負載開關(guān)具有一個快速輸出放電(QOD)特性，該特性通過一個內(nèi)部電阻將輸出放電至接地電平。在系統(tǒng)斷電時，具有 QOD 特性的負載開關(guān)能夠快速將負載電容上的電荷釋放掉，使系統(tǒng)迅速進入安全的斷電狀態(tài)，避免了因電容殘留電荷可能引發(fā)的問題，如對其他組件的干擾或損壞等。

結(jié)語

負載開關(guān)通過基于硬件連接和借助軟件控制等多種方式，在電源排序管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠有效地控制涌入電流、確保電源軌按序穩(wěn)定工作以及實現(xiàn)系統(tǒng)斷電管理，為現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行提供了有力保障。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，負載開關(guān)的性能和功能也在不斷提升，未來將在更多領(lǐng)域和更復(fù)雜的系統(tǒng)中展現(xiàn)出其強大的電源管理能力，為電子系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計提供更多可能。