集成負(fù)載開(kāi)關(guān)是可用于開(kāi)啟和關(guān)閉系統(tǒng)中的電源軌的電子繼電器。負(fù)載開(kāi)關(guān)為系統(tǒng)帶來(lái)許多其它優(yōu)勢(shì)，并且集成通常難以用分立元件實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能。負(fù)載開(kāi)關(guān)可用于多種不同的應(yīng)用，包括但不限于：

●配電

●上電排序和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換

●減小待機(jī)模式下的漏電流

●浪涌電流控制

●斷電控制

1什么是負(fù)載開(kāi)關(guān)?

集成負(fù)載開(kāi)關(guān)是可用于開(kāi)啟和關(guān)閉電源軌的集成電子繼電器。大部分基本負(fù)載開(kāi)關(guān)包含四個(gè)引腳：輸入電壓引腳、輸出電壓引腳、使能引腳和接地引腳。當(dāng)通過(guò)ON引腳使能器件時(shí)，導(dǎo)通FET接通，從而使電流從輸入引腳流向輸出引腳，并且電能傳遞到下游電路。

圖1.常規(guī)負(fù)載開(kāi)關(guān)電路圖

1.1常規(guī)負(fù)載開(kāi)關(guān)框圖

了解負(fù)載開(kāi)關(guān)的架構(gòu)對(duì)于確定負(fù)載開(kāi)關(guān)的規(guī)范很有幫助。圖2所示為基本負(fù)載開(kāi)關(guān)的框圖，該負(fù)載開(kāi)關(guān)包括五個(gè)基本模塊?？梢园嗄K以向負(fù)載開(kāi)關(guān)添加功能。

圖2.常規(guī)負(fù)載開(kāi)關(guān)框圖

1.導(dǎo)通FET是負(fù)載開(kāi)關(guān)的主要元件，它決定了負(fù)載開(kāi)關(guān)可處理的最大輸入電壓和最大負(fù)載電流。負(fù)載開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻是導(dǎo)通FET的特性，將用于計(jì)算負(fù)載開(kāi)關(guān)的功耗。導(dǎo)通FET既可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET，這將決定負(fù)載開(kāi)關(guān)的架構(gòu)。

2.柵極驅(qū)動(dòng)器以控制方式對(duì)FET的柵極進(jìn)行充放電，從而控制器件的上升時(shí)間。

3.控制邏輯由外部邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)。它控制了導(dǎo)通FET和其它模塊(如快速輸出放電模塊、充電泵和帶保護(hù)功能的模塊)的接通和關(guān)斷。

4.并非所有負(fù)載開(kāi)關(guān)中均包含電荷泵。電荷泵用于帶有N溝道FET的負(fù)載開(kāi)關(guān)，因?yàn)闁艠O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(gè)連接VOUT到GND的片上電阻，當(dāng)通過(guò)ON引腳禁用器件時(shí)，該電阻導(dǎo)通。這將對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放電，從而防止輸出浮空。對(duì)于帶有快速輸出放電模塊的器件，僅當(dāng)VIN和VBIAS處于工作范圍內(nèi)時(shí)，此功能才有效。

6.不同的負(fù)載開(kāi)關(guān)中還包括其它功能。這些功能包括但不限于熱關(guān)斷、限流和反向電流保護(hù)。

1.2負(fù)載開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)數(shù)據(jù)表參數(shù)和定義

●輸入電壓范圍(VIN)–這是負(fù)載開(kāi)關(guān)可支持的輸入電壓范圍。

●偏置電壓范圍(VBIAS)–這是負(fù)載開(kāi)關(guān)可支持的偏置電壓范圍。為負(fù)載開(kāi)關(guān)的內(nèi)部模塊供電可能需要此參數(shù)，具體取決于負(fù)載開(kāi)關(guān)的架構(gòu)。

●最大連續(xù)電流(IMAX)–這是負(fù)載開(kāi)關(guān)可支持的最大連續(xù)直流電流。

●導(dǎo)通狀態(tài)電阻(RON)–這是在VIN引腳與VOUT引腳間測(cè)得的電阻，其中考慮了封裝和內(nèi)部導(dǎo)通FET的電阻。

●靜態(tài)電流(IQ)–這是為器件的內(nèi)部模塊供電所需的電流量，以VOUT上沒(méi)有任何負(fù)載時(shí)流入VIN引腳的電流為測(cè)量值。

●關(guān)斷電流(ISD)–這是禁用器件時(shí)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(shí)流向ON引腳的電流量。

●下拉電阻(RPD)–這是禁用器件時(shí)從VOUT到GND的下拉電阻值。

下面將概述一些可以通過(guò)使用負(fù)載開(kāi)關(guān)獲得好處的應(yīng)用。

2為什么需要負(fù)載開(kāi)關(guān)

本部分將概述一些可以通過(guò)使用負(fù)載開(kāi)關(guān)獲得好處的應(yīng)用。

2.1配電

許多系統(tǒng)對(duì)子系統(tǒng)配電的控制有限。如圖3所示，可使用負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)接通和關(guān)斷輸入電壓相同的子系統(tǒng)，而不使用多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO.使用負(fù)載開(kāi)關(guān)后，可通過(guò)對(duì)各個(gè)負(fù)載的控制在不同負(fù)載間進(jìn)行配電。

圖3.配電框圖[!--empirenews.page--]

2.2上電排序和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換

在某些系統(tǒng)(尤其是帶有處理器的系統(tǒng))中，必須遵循嚴(yán)格的上電時(shí)序。通過(guò)使用GPIO或I2C接口，負(fù)載開(kāi)關(guān)成為可實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足上電要求的上電排序的簡(jiǎn)單解決方案。負(fù)載開(kāi)關(guān)可提供每個(gè)電源路徑的獨(dú)立控制，從而簡(jiǎn)化上電排序的負(fù)載點(diǎn)控制，如圖4所示。

圖4.使用負(fù)載開(kāi)關(guān)的上電排序

2.3降低漏電流

在許多設(shè)計(jì)中，存在只在特定工作模式期間使用的子系統(tǒng)。可以使用負(fù)載開(kāi)關(guān)關(guān)閉這些子系統(tǒng)的電源來(lái)限制漏電流量和功耗。圖5顯示了使用和不使用負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)的漏電流對(duì)比情況。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)輸入和輸出電容部分。

圖5.使用和不使用負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)的漏電流對(duì)比情況

在一些應(yīng)用中，可禁用電路(如DC/DC轉(zhuǎn)換器、LDO和模塊)并將其置于待機(jī)模式。但即使是處于關(guān)斷狀態(tài)，這些模塊的漏電流也相對(duì)較高。如上圖所示，在負(fù)載前面放置一個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)可顯著減小漏電流。因此，在電源路徑中放置一個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)可大幅降低功耗。[!--empirenews.page--]

2.4浪涌電流控制

在沒(méi)有任何轉(zhuǎn)換率控制的情況下開(kāi)啟子系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)由于負(fù)載電容快速充電產(chǎn)生浪涌電流而導(dǎo)致輸入軌下陷。由于此輸入軌可能正在為其它子系統(tǒng)供電，因此這會(huì)引發(fā)問(wèn)題(圖6)。負(fù)載開(kāi)關(guān)可以通過(guò)控制輸出電壓的上升時(shí)間來(lái)消除輸入電壓的下陷，從而解決此問(wèn)題(圖7)。

圖6.導(dǎo)致電源電壓突降的浪涌電流

圖7.使用負(fù)載開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換率控制

2.5斷電控制

當(dāng)不帶快速輸出放電功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO關(guān)閉時(shí)，負(fù)載電壓保持浮空，斷電取決于負(fù)載，如圖8所示。這可能導(dǎo)致出現(xiàn)預(yù)想外的動(dòng)作，因?yàn)橄掠文K并未在斷電后到達(dá)指定狀態(tài)。

圖8.未使用負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)的不受控?cái)嚯?/p>

使用帶快速輸出放電功能的負(fù)載開(kāi)關(guān)可緩解這些問(wèn)題。負(fù)載將以受控方式快速斷電，并將復(fù)位為已知的良好狀態(tài)以備下次上電，如圖9所示。這將消除負(fù)載上的任何浮空電壓并確保其始終處于定義的電源狀態(tài)。

圖9.使用負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)的受控?cái)嚯?/p>

2.6保護(hù)特性

某些應(yīng)用可能需要負(fù)載開(kāi)關(guān)中集成故障保護(hù)功能。一些負(fù)載開(kāi)關(guān)包括反向電流保護(hù)、ON引腳滯后、限流、欠壓鎖定和過(guò)熱保護(hù)等集成功能。與通過(guò)離散元件實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜電路不同，使用集成負(fù)載開(kāi)關(guān)可減少物料清單數(shù)量、減小解決方案尺寸并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。下面簡(jiǎn)要介紹了其中一些功能：

●反向電流保護(hù)功能將阻止電流從VOUT引腳流向VIN引腳。如果沒(méi)有此功能，當(dāng)二極管壓降導(dǎo)致VOUT上的電壓高于VIN上的電壓時(shí)，電流可能從VOUT引腳流向VIN引腳。因此，反向電流阻斷可使某些應(yīng)用獲益，如電流不應(yīng)從VOUT流向VIN的電源多路復(fù)用器應(yīng)用。有許多不同的方法可實(shí)現(xiàn)反向電流保護(hù)。在某些情況下，器件(如TPS22912)將監(jiān)視VIN引腳和VOUT引腳上的電壓。當(dāng)此差分電壓超出特定閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)將被禁用，同時(shí)體二極管斷開(kāi)以防止出現(xiàn)流向VIN的反向電流。某些器件(如TPS22963C)只有在被禁用時(shí)才具有反向電流保護(hù)功能。

●ON引腳滯后功能可使GPIO使能更穩(wěn)定。由于ON引腳上存在邏輯高電平與邏輯低電平的電壓差，即使GPIO線(xiàn)上出現(xiàn)噪聲，控制電路也將按預(yù)期工作。圖10說(shuō)明了ON引腳滯后如何為GPIO使能線(xiàn)提供穩(wěn)定性。

●限流功能將限制負(fù)載開(kāi)關(guān)輸出的電流量。這將確保外部電路不會(huì)拉過(guò)量的電流。如果電流不受限制，外部電路可能會(huì)使主系統(tǒng)停止工作。在限流模式下，負(fù)載開(kāi)關(guān)提供連續(xù)電流，直至開(kāi)關(guān)電流降至電流限值以下。

●欠壓鎖定(UVLO)用于在VIN電壓降至閾值以下時(shí)關(guān)閉器件，以確保下游電路不會(huì)因?yàn)楣╇婋妷旱陀陬A(yù)期值而損壞。

●過(guò)熱保護(hù)功能可在器件溫度超出閾值溫度時(shí)禁用開(kāi)關(guān)。憑借此功能，器件可用作在檢測(cè)到高溫時(shí)關(guān)斷的安全開(kāi)關(guān)。

圖10. ON引腳滯后

2.7減少BOM數(shù)量和PCB面積

使用集成負(fù)載開(kāi)關(guān)可減少系統(tǒng)的BOM數(shù)量。如果有離散FET與其它元件配合使用，則可以考慮使用負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)減少系統(tǒng)中的元件總數(shù)。分離創(chuàng)建負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)，將需要多個(gè)電阻、電容和晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器、控制邏輯、輸出放電和保護(hù)功能。而采用集成負(fù)載開(kāi)關(guān)，只需單個(gè)器件便可實(shí)現(xiàn)全部功能，從而顯著降低BOM數(shù)量。