電源開關(guān)設(shè)計基礎(chǔ)
作者:Philippe Pichot,德州儀器 (TI) 戰(zhàn)略市場營銷經(jīng)理
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177352.htm電源開關(guān)的使用較為復(fù)雜,甚至讓大多數(shù)電子產(chǎn)品設(shè)計人員都感到困惑,特別是對那些非電源管理專家而言。在各種各樣的應(yīng)用中,例如:便攜式電子產(chǎn)品、消費類電子產(chǎn)品、工業(yè)或電信系統(tǒng)等,廣大設(shè)計人員正越來越多地使用電源開關(guān)。這些電源開關(guān)的使用方式多種多樣,包括控制、排序、電路保護、配電甚至是系統(tǒng)電源開啟管理等。當(dāng)然,每一種用法都需要有不同特性的電源開關(guān)解決方案。
本文對不同應(yīng)用中,使用電源開關(guān)時設(shè)計人員需要考慮的一些重要規(guī)范和概念進行了總結(jié),并介紹了一些可能的解決方案,旨在幫助設(shè)計人員選擇一種最佳的解決方案。
很明顯,在選擇電源開關(guān)以前您應(yīng)該問您自己的第一個問題是:“我想要用這個開關(guān)來做什么?”這是一個簡單的問題,但其答案卻能幫助您定義完美的產(chǎn)品。使用電源開關(guān)的方式有數(shù)種。最為常見的是:
控制、配電和排序(即開啟/關(guān)閉電源軌來啟用某個子系統(tǒng)或者為多個負(fù)載配電)
短路或者過電流或過電壓保護(USB電流限制、傳感器保護、電源軌短路保護)
管理接通浪涌電流(即電容充電時)
選擇電源(即多路復(fù)用或ORing)或者負(fù)載分配。
表 1 概括了電源開關(guān)每種具體使用情況下需要考慮的重要特性。
控制、配電和
排序 短路保護 浪涌電流管理 電流多路復(fù)用
(ORing)
通過 FET 導(dǎo)通電阻 ° ° ° °
受控轉(zhuǎn)換速率 ° °
過電流保護 (OCP) ° ? ?
過壓保護 (OVP) ? ?
反向電流保護 ? °
功耗 ° ° ° °
解決方案尺寸 ° ? ? ?
輸入電壓范圍 ° ° ° °
最大持續(xù)電流 ° ° ° °
熱保護 ? ° ? ?
控制邏輯,GPIO 兼容性 ° ? ?
° : 需要考慮的重要特點 / 特性。
? : 有更好,但非強制特性,也非重要特性。
表 1 具體的應(yīng)用要求
導(dǎo)通電阻、最大電流和輸入電壓范圍
導(dǎo)通電阻 (rON)、最大持續(xù)電流和輸入電壓范圍始終都是需要考慮的關(guān)鍵特性。它們是您在考查任何器件以前需要研究的基本特性。根據(jù)應(yīng)用,設(shè)計人員可以輕松地知道需要開關(guān)的電流,以及工作電壓的大小。根據(jù)這類信息,您便可以做出初步的選擇。實際上,如果您需要一個能夠通過 1.2V 或 36V 的開關(guān),便可以確定兩種完全不同的產(chǎn)品范圍。
導(dǎo)通電阻會影響您在開關(guān)上看到的壓降。設(shè)計人員必須仔細了解其特定應(yīng)用設(shè)置(電壓、電流)相關(guān)的最大允許壓降。利用公式1可以很容易地計算得到:
其中,壓降為 VDROP,直通 FET 導(dǎo)通電阻為 rON,而通過開關(guān)的電流為 I。
如果應(yīng)用需要開關(guān)大量的電流,或者對低壓軌(如 1.0-V)進行開關(guān),則需要最小化壓降。因此,導(dǎo)通電阻需要盡可能地低,例如:TPS2292x 系列特有 3.6-V 的14-m Ohm rON。但是,如果要開關(guān)的電流較少,則導(dǎo)通電阻便不是一個關(guān)鍵問題,您可以選擇一個約為 1 Ohm 的高導(dǎo)通電阻器件(如 TPS2294x 系列產(chǎn)品)。導(dǎo)通電阻是電源開關(guān)器件裸片尺寸的一個重要因素,從而也是器件成本的重要原因。您要對其仔細研究,以選擇最低成本的解決方案。
除設(shè)計人員關(guān)注的開關(guān)最大持續(xù)電流以外,另一個重要特性是開關(guān)允許的最大脈沖電流。在某些應(yīng)用中,大多數(shù)時候要求的負(fù)載均包括中等的持續(xù)電流。但是,當(dāng)某個子系統(tǒng)要求更多功率時峰值便顯而易見。GSM/GPRS 發(fā)射脈沖便是一個較好的例子,其在 12.5% 占空比下 576?S 期間要求高達 1.7A 的電流。請確定所選用的器件可以支持這種脈沖電流。
功耗和保護特性
功耗也是需要考慮的一個重要特性。在作為直通開關(guān)的正常運行期間,根據(jù)開關(guān)的導(dǎo)通電阻以及開關(guān)電流,可以計算得到功耗。利用公式 2,您可以很容易地計算得到器件的最大功耗。
如果該器件的導(dǎo)通電阻足夠低,則功耗較小,并且對器件工作溫度產(chǎn)生的影響也極小。但是,如果您計劃使用開關(guān)來保護電壓軌免受過電流或者短路損害(如USB端口或指紋傳感器保護電路一樣),則要小心。在這種情況下,您必須選擇一種電流限制開關(guān),例如:TPS22944 等。如果您不使用電流限制開關(guān),則功耗會成為系統(tǒng)可靠性的主要問題。例如,3.3-V 輸入電壓下,作用于一個非電流限制負(fù)載開關(guān)的 0.9-W 短路(如 TPS22902 的導(dǎo)通電阻為 ~100-mW),會轉(zhuǎn)換成如公式 3 所示的功耗。
一般來說,這種功耗對于市售的大多數(shù)封裝而言都太高,其可導(dǎo)致故障和可靠性問題。
同樣,使用電流限制開關(guān)的設(shè)計人員需要確定封裝能夠支持短路狀態(tài)。如果器件達到電流限制值,則輸出為短路接地時出現(xiàn)最大功耗。對于如 TPS22945 等具有自動重啟時間 tRESTART 和過電流斷路時間 tBLANK 的一些器件來說,最大平均功耗如公式 4 所示。
對于那些沒有自動重啟環(huán)路(如 TPS22944 等)的器件來說,輸出短路會使器件工作在恒流狀態(tài)下,從而保證在熱關(guān)斷啟用以前實現(xiàn)極端情況功耗。這樣,只要導(dǎo)通引腳有效且出現(xiàn)短路,它便在進出熱關(guān)斷之間不停地循環(huán)。
市場上有一些電流限制開關(guān),需要考慮的兩個主要特性是電流限制最小值(固定電流限制或利用外部電阻編程),以及電流限制精度和響應(yīng)時間。大多數(shù)應(yīng)用中,電流限制精度并不是一個關(guān)鍵問題,因為器件用作一個斷路器(即出現(xiàn)短路時關(guān)閉開關(guān))。但是,如 USB 電流限制等一些應(yīng)用的精度就顯得很重要,因為開關(guān)是用作一個恒流源。
對于一些要開關(guān)大電流或承受過電流的一些應(yīng)用來說,我們建議您選擇具有某種熱保護特性的器件。當(dāng)發(fā)現(xiàn)器件溫度過高時,大多數(shù)器件都會啟用熱關(guān)斷,關(guān)閉 FET 來保護器件自身,以避免遭受任何潛在的熱損害。
除強制短路保護的電流限制(或者過電流保護—OCP)以外,還可以考慮如反向電流阻斷等其他一些保護特性。
設(shè)計人員嘗試設(shè)計一種電源選擇器 (ORing),或者實現(xiàn)某種負(fù)載分配時,反向電流阻斷(也稱作反向電壓保護)則為必需的。
圖 1 顯示了一個通過兩個潛在電源(即 DC 輸入和電池)為負(fù)載供電的電源開關(guān)配置實例:
圖 1 雙源電源選擇器
對于沒有反向電壓保護的器件來說,直通 FET 的輸入電壓保持在其輸出電壓以上很重要。否則,輸入將會通過 FET 主體二極管被鉗位控制,從而使大電流從輸出流至輸入。
在圖 1 實例中,如果電池為一塊 4.2V(最大)的鋰離子 (Li-Ion) 電池,啟用 DC輸入,并且電壓為 5.0V,則潛在大電流將從負(fù)載流至電池——我們當(dāng)然不希望看到這種結(jié)果!
一種有效的解決方案是使用一款具有反向電壓保護特性的器件。反向電流保護一般可以通過使用背靠背 FET,或者在探測到反向電壓狀態(tài)時開關(guān) PMOS FET 的背柵來實現(xiàn)。您將會研究反向電壓比較器跳變點(VOUT – VIN值,即啟用反向電流特性的閾值),以及從反向電壓狀態(tài)到 MOSFET 關(guān)閉的時間。
可有效用于某些應(yīng)用的另外一種保護是過電壓保護 (OVP)。該特性在開關(guān)出現(xiàn)過電壓時,保護開關(guān)和系統(tǒng)。例如,它可以有效地用于一些 USB 應(yīng)用或者電池應(yīng)用中。
浪涌電流管理
電源開關(guān)的另一種常見用法是對系統(tǒng)啟動時的浪涌電流進行管理。如果開關(guān)在不受控的情況下開啟,則會形成巨大的浪涌電流,可導(dǎo)致開關(guān)輸入電源軌壓降。其最終會影響系統(tǒng)的整體功能。
對大容量輸出電容充電時,浪涌電流會很大,需要對其進行控制和/或限制。這種浪涌電流可由公式 5 計算得到:
例如, 和 1?S 升壓時間的情況下,浪涌電流可以高達 3A。
避免出現(xiàn)這種浪涌電流的一種簡單方法是減慢開關(guān)的升壓時間。這樣便可緩慢地對輸出電容充電,并降低電流峰值。在公式 5 的實例中,200?S 的升壓時間會導(dǎo)致 15mA 的浪涌電流,這是可以接受的。
一些情況下,您可能想對一些超大容量電容(數(shù)百 ?F)充電。通常建議選擇非常長的升壓時間,但是您也可以選擇一種具有高電流限制的開關(guān)。器件將會在加電時進行電流限制,同時電容將在電流限制值下獲得充電,其為電源開關(guān)的最大功耗能力。
系統(tǒng)互操作性
任何情況下,在選擇電源開關(guān)時,都需要認(rèn)真地考慮系統(tǒng)互操作性問題。例如,便攜式應(yīng)用中使用電源開關(guān)啟用和關(guān)閉負(fù)載來優(yōu)化功耗時,開關(guān)的控制輸入必須與通用、低電壓(1.8-V)兼容,GPIO 至關(guān)重要。另外,當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時,請確保開關(guān)的浮動輸出不影響系統(tǒng)性能。因此,一些用戶可能會在關(guān)閉時利用一個額外晶體管將電源開關(guān)輸出緊密接地,或者使用一個集成這種下拉接地(如 TPS22902)的集成器件。
另一個重要的檢查點是設(shè)計穩(wěn)定系統(tǒng)所使用的輸入和輸出電容。盡管通常不要求一個輸入電容來穩(wěn)定一些市售的電源開關(guān),但在輸入電源連接一個 0.1uF 到 1uF 的低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 電容器時,卻被認(rèn)為是一種較好的模擬設(shè)計方法。該電容可應(yīng)對電抗性輸入源,并改善瞬態(tài)響應(yīng)、噪聲及紋波抑制性能。根據(jù)開關(guān)的負(fù)載,您可能會考慮在開關(guān)的輸出端添加一些額外的儲能電容。如果開關(guān)沒有反向電流阻斷,則強烈建議使用大于輸出電容的輸入電容,否則輸入將會通過 FET 主體二極管被鉗位控制,從而使強大的電流從輸出端流到輸入端。
參考文獻
作者簡介
Philippe Pichot 現(xiàn)主要負(fù)責(zé) TI 負(fù)載開關(guān)產(chǎn)品線戰(zhàn)略市場營銷工作。Philippe 畢業(yè)于法國北部高等電子學(xué)院 (Institut Superieur D’Electronique du Nord (ISEN) in Lille, France),獲電子工程碩士學(xué)位。
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