負(fù)載開關(guān)技術(shù)的發(fā)展在現(xiàn)代應(yīng)用的電源管理中發(fā)揮重要作用

　　作者/Bryson Barney 安森美半導(dǎo)體 應(yīng)用工程師

　　摘要：負(fù)載開關(guān)在電源管理和負(fù)載保護(hù)中發(fā)揮重要作用。在為特定應(yīng)用選擇負(fù)載開關(guān)時(shí)有一些因素要考慮，此外，現(xiàn)在還可以使用一些性能和功能得以改進(jìn)的新器件。

　　關(guān)鍵詞：負(fù)載開光；電源管理；導(dǎo)通電阻

　　0 引言

　　電源是推動(dòng)我們現(xiàn)代世界技術(shù)的命脈，我們越來越依賴高科技產(chǎn)品在忙碌的工作中和工作外的生活中幫助我們。管理和控制電源是高科技、低功耗應(yīng)用的一個(gè)重要主題。無論是為更大的設(shè)備開發(fā)復(fù)雜的多軌電源系統(tǒng)，還是利用電池供電設(shè)備的最后一小部分電量，電源管理都是設(shè)計(jì)人員的首要優(yōu)先項(xiàng)目。

　　在大大小小的系統(tǒng)中，負(fù)載開關(guān)在電源管理和負(fù)載保護(hù)中發(fā)揮重要作用。在為特定應(yīng)用選擇負(fù)載開關(guān)時(shí)有一些因素要考慮，此外，現(xiàn)在還可以使用一些性能和功能得以改進(jìn)的新器件。

　　1 標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載開關(guān)

　　任何負(fù)載開關(guān)的主要功能是連接/斷開電源和負(fù)載。可采用僅使用一個(gè)簡單的通路MOSFET的分立方案來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能；但全集成的負(fù)載開關(guān)器件通常比分立方案小，減少了器件的數(shù)量，并且提供更強(qiáng)大的功能，包括對過溫、欠電壓和過電流故障條件的檢測和保護(hù)等功能。有時(shí)還包括反向電流保護(hù)，使任何試圖從負(fù)載流向源的電流被阻斷。這對于許多應(yīng)用使用的最新的供電標(biāo)準(zhǔn)USB-C尤其有用。所有集成負(fù)載開關(guān)至少包括四個(gè)引腳——V IN 、V OUT 、GND和EN(Enable)，盡管通常添加其他引腳以支持更多功能并為系統(tǒng)輸出提供保護(hù)功能，如圖1所示。

　　除了提供簡單的開關(guān)控制和保護(hù)外，負(fù)載開關(guān)還可通過控制V OUT 來控制負(fù)載導(dǎo)通的速度。通過控制FET柵的充電，在V OUT 的上升時(shí)間控制浪涌電流。此軟啟動(dòng)保護(hù)負(fù)載不受負(fù)載與電源的無控制連接所造成的電流尖峰的影響，特別是在負(fù)載不是純電阻的情況下。

　　有些負(fù)載開關(guān)還包含一個(gè)泄漏電阻器，支持存儲(chǔ)在負(fù)載中任何能量的快速放電，在負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時(shí)，消除負(fù)載電源引腳上的浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

　　2 負(fù)載開關(guān)系統(tǒng)使用和配置

　　負(fù)載開關(guān)最常見的一個(gè)應(yīng)用是管理系統(tǒng)中獨(dú)立的電源域。該控制在電池供電設(shè)備中特別有用，防止任何不必要的能量消耗，對獲得最長的電池運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。

　　負(fù)載開關(guān)可用于控制系統(tǒng)中被劃分為邏輯域的各個(gè)部分的功率，如圖2所示。在實(shí)際使用中，只需要很短時(shí)間的部分，如傳感器或發(fā)射/接收電路，只在需要激活的短時(shí)間內(nèi)接通電源。

　　此外，針對單個(gè)負(fù)載有多個(gè)電源的系統(tǒng)，如圖3所示，可使用負(fù)載開關(guān)。在這樣的系統(tǒng)中，可以控制負(fù)載的功率傳輸，例如，從主電源或備用電池供電。

　　復(fù)雜的系統(tǒng)通常需要多個(gè)電源軌，在許多情況下，這些軌道必須按照一定的順序工作，以便系統(tǒng)正常運(yùn)行。例如，可能有必要在啟用無線電發(fā)射機(jī)前完全啟動(dòng)核心處理器，以避免混淆或難以理解的傳輸。

　　雖然可以使用外部微控制器來實(shí)現(xiàn)上電序列，從而以正確的時(shí)序啟用負(fù)載開關(guān)，但如果使用“powergood”輸出，負(fù)載開關(guān)還可以提供獨(dú)立序列，如圖4所示。通過將一個(gè)負(fù)載開關(guān)的Power Good引腳鏈接到下一個(gè)負(fù)載開關(guān)的EN引腳，可“菊鏈(daisychained)”多個(gè)負(fù)載開關(guān)。如果相位間需要更大的延遲，則可添加一個(gè)電容器到接地控制線以增加延遲。

　　3 為應(yīng)用選擇合適的負(fù)載開關(guān)

　　目前有許多類型的負(fù)載開關(guān)，為設(shè)計(jì)人員在為特定應(yīng)用選擇器件時(shí)提供廣泛的選擇。雖然最初選擇起來似乎很困難，但通過考慮六個(gè)主要參數(shù)，評(píng)估選項(xiàng)并找到最佳器件就相對簡單了。

　　能效很重要，而且通常是在應(yīng)用中使用負(fù)載開關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵原因。設(shè)計(jì)人員應(yīng)密切關(guān)注所考慮器件的導(dǎo)通電阻R ON 。開關(guān)電阻越低，工作時(shí)從V IN 到V OUT 的壓降越低，從而降低了負(fù)載開關(guān)的功耗和散熱。

　　在器件最大允許負(fù)載電流和輸入電壓(V IN )范圍方面，需要針對應(yīng)用指定正確的額定值。雖然確保針對應(yīng)用有足夠的額定電流，但應(yīng)注意額定值不要過高，因?yàn)楦蟮腇ET有更高的門極電容，需要更多的能量才能導(dǎo)通。此外，更高額定值的器件也可能更大，更昂貴。

　　靜態(tài)電流(負(fù)載開關(guān)開啟時(shí)使用的能量)應(yīng)盡可能低，就像任何漏電流 (負(fù)載開關(guān)MOSFET關(guān)斷時(shí)從電源到負(fù)載的電流) 一樣低。

　　最后，對于特定應(yīng)用，響應(yīng)速度對于開關(guān)所需的時(shí)間以及任何故障保護(hù)操作的時(shí)間都至關(guān)重要。該響應(yīng)時(shí)間受MOSFET尺寸的影響，器件尺寸越大，需要更多的電荷，因此運(yùn)行速度越慢。同樣，過度設(shè)計(jì)過大的FET會(huì)導(dǎo)致更差的瞬態(tài)性能。

　　4 ecoSWITCH?——全面的負(fù)載開關(guān)系列

　　安森美半導(dǎo)體的ecoSWITCH TM 系列負(fù)載管理器件為設(shè)計(jì)人員提供目前同類最佳的導(dǎo)通電阻R ON 。該系列包括20多個(gè)不同的產(chǎn)品，并隨著安森美半導(dǎo)體推出新的負(fù)載開關(guān)還在不斷壯大陣容。

　　NCP45560僅是ecoSWITCH系列之中的其中一個(gè)器件。該器件采用省空間的3 mm x 3 mm DFN12封裝，能持續(xù)高能效地開關(guān)達(dá)24 A的電流，導(dǎo)通電阻低至4.1 mΩ。NCP45560極其適用于要求小占位方案的電源管理和熱插拔應(yīng)用，結(jié)合許多保護(hù)功能，同時(shí)比分立方案大大節(jié)省空間和成本。

　　5 總結(jié)

　　隨著電源需求變得越來越復(fù)雜，對小型便攜式電池供電設(shè)備盡可能高能效工作的要求在增長，負(fù)載開關(guān)越來越受歡迎，因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)人員能實(shí)現(xiàn)高能效、精密的電源方案，即使是在最小的設(shè)備中。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第28頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處