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(yùn)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(gè)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(yán)格要求。負(fù)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(fù)載開關(guān)的基本工作原理

負(fù)載開關(guān)通常由一個(gè)功率 MOSFET(金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路組成。通過控制 MOSFET 的柵極電壓，負(fù)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(hào)使能時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通，電流從 VIN 流向 VOUT，為負(fù)載供電;當(dāng)控制信號(hào)禁用時(shí)，MOSFET 截止，切斷負(fù)載的電源供應(yīng)。例如，在常見的負(fù)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(hào)(取決于負(fù)載開關(guān)的類型，有高電平有效和低電平有效之分)時(shí)，負(fù)載開關(guān)相應(yīng)地導(dǎo)通或截止。

負(fù)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(jiǎn)單的串聯(lián)連接排序

一種常見的利用負(fù)載開關(guān)實(shí)現(xiàn)電源排序的硬件連接方式是串聯(lián)連接多個(gè)負(fù)載開關(guān)。在這種配置中，將負(fù)載開關(guān)排列成在沒有任何處理器干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)上電排序。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)負(fù)載開關(guān)的控制信號(hào)(例如來自微控制器的 GPIO 信號(hào))接通時(shí)，為負(fù)載 1 供電。一旦負(fù)載 1 的電壓軌超過第二個(gè)負(fù)載開關(guān)的輸入高電平(VIH)電平，第二個(gè)負(fù)載開關(guān)就將接通，為負(fù)載 2 供電。以此類推，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)負(fù)載的順序上電。盡管這種方式只顯示啟用了一個(gè)附加負(fù)載開關(guān)，但可進(jìn)行擴(kuò)展，讓一條 GPIO 線對(duì)多個(gè)負(fù)載開關(guān)排序。這種簡(jiǎn)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(duì)電源排序要求不高且負(fù)載數(shù)量較少的系統(tǒng)。

利用 Power Good(PG)信號(hào)排序

很多負(fù)載開關(guān)具有一個(gè)電源正常(PG)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)表示輸出何時(shí)完全接通。通過將 PG 信號(hào)巧妙連接，可以實(shí)現(xiàn)更為精確的電源排序。將第一個(gè)負(fù)載開關(guān)的 PG 信號(hào)連接至第二個(gè)負(fù)載開關(guān)的啟用引腳，只有在第一個(gè)負(fù)載開關(guān)穩(wěn)定之后，即其 PG 信號(hào)有效時(shí)，第二負(fù)載切換才會(huì)導(dǎo)通。這種方式有效地交錯(cuò)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€(gè)開關(guān)被禁用時(shí)，PG 信號(hào)將 EN/ON 引腳拉低，并阻止第二個(gè)開關(guān)接通，確保了斷電順序的正確性。在一些需要嚴(yán)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(hào)的電源排序方式尤為重要。

借助軟件控制實(shí)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(fù)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(fù)載開關(guān)的控制引腳發(fā)送使能信號(hào)。要為每個(gè)電源軌供電，只需將正確的 GPIO 信號(hào)發(fā)送給正確的負(fù)載開關(guān)即可。在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，軟件可以先使能為系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)較高的組件供電的負(fù)載開關(guān)，待這些組件初始化完成后，再依次使能其他負(fù)載開關(guān)，從而實(shí)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(shí)際需求和運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整電源排序。

利用 I2C 接口控制

一些高級(jí)的負(fù)載開關(guān)還支持 I2C 接口，通過 I2C 接口，處理器可以與負(fù)載開關(guān)進(jìn)行通信，實(shí)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(fù)載開關(guān)發(fā)送指令，不僅可以控制負(fù)載開關(guān)的導(dǎo)通和截止，還能對(duì)負(fù)載開關(guān)的一些參數(shù)，如輸出上升時(shí)間等進(jìn)行配置。在一個(gè)具有多個(gè)不同類型負(fù)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(fù)載的特性和要求，分別對(duì)各個(gè)負(fù)載開關(guān)進(jìn)行精細(xì)的控制，從而優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的電源排序，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

負(fù)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(huì)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(huì)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(duì)涌入電流進(jìn)行有效管理，會(huì)使得電壓軌處于穩(wěn)壓之外，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)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(fù)載開關(guān)都具有一個(gè)集成軟啟動(dòng)功能，某些器件甚至提供針對(duì)變化電容負(fù)載的可調(diào)上升時(shí)間。在電源和電容負(fù)載之間放置一個(gè)負(fù)載開關(guān)，能夠極大地降低接通 / 啟用負(fù)載時(shí)的涌入電流。通過合理設(shè)置負(fù)載開關(guān)的上升時(shí)間，使得施加到電容負(fù)載上的電壓具有一個(gè)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(gè)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(fù)載開關(guān)使?jié)M足這些電源排序要求變得更加簡(jiǎn)單，通過實(shí)現(xiàn)針對(duì)每個(gè)電源軌的負(fù)載點(diǎn)控制，確保了系統(tǒng)中各個(gè)組件能夠在正確的電源條件下穩(wěn)定工作。對(duì)于一個(gè)包含多個(gè)電源軌的系統(tǒng)，通過負(fù)載開關(guān)實(shí)現(xiàn)精確的電源排序，可以保證系統(tǒng)在啟動(dòng)和運(yùn)行過程中，各個(gè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)斷電管理

負(fù)載開關(guān)不僅在上電排序中發(fā)揮重要作用，對(duì)于系統(tǒng)斷電同樣有效。負(fù)載開關(guān)的下降時(shí)間由輸出負(fù)載對(duì)其電容的放電速度決定。為了加快這個(gè)放電過程，并且確保輸出端達(dá)到 0V 狀態(tài)，某些負(fù)載開關(guān)具有一個(gè)快速輸出放電(QOD)特性，該特性通過一個(gè)內(nèi)部電阻將輸出放電至接地電平。在系統(tǒng)斷電時(shí)，具有 QOD 特性的負(fù)載開關(guān)能夠快速將負(fù)載電容上的電荷釋放掉，使系統(tǒng)迅速進(jìn)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(duì)其他組件的干擾或損壞等。

結(jié)語

負(fù)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(shí)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(yùn)行提供了有力保障。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，負(fù)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(qiáng)大的電源管理能力，為電子系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供更多可能。