對于各具特色的移動(dòng)電話(huà)、移動(dòng)GPS設備和消費電子小玩意等電池供電的便攜式設備應用來(lái)說(shuō)，高端負載開(kāi)關(guān)一直受到眾多工程師和設計人員的青睞。本文將以易于理解的非數學(xué)方式全方位介紹基于MOSFET的高端負載開(kāi)關(guān)，并討論在設計和選擇過(guò)程中必須考慮的各種參數。 

高端負載開(kāi)關(guān)的定義是：它通過(guò)外部使能信號的控制來(lái)連接或斷開(kāi)至特定負載的電源(電池或適配器)。相比低端負載開(kāi)關(guān)，高端負載開(kāi)關(guān)“流出”電流至負載，而低端負載開(kāi)關(guān)則將負載接地或者與地斷開(kāi)，因此它從負載“汲入”電流。 

高端負載開(kāi)關(guān)不同于高端電源開(kāi)關(guān)。高端電源開(kāi)關(guān)管理輸出電源，因此通常會(huì )限制其輸出電流。相反地，高端負載開(kāi)關(guān)將輸入電壓和電流傳遞給“負載”，并且它不具備電流限制功能。 

高端負載開(kāi)關(guān)包含三個(gè)部分： 

1. 傳輸元件：本質(zhì)上是一個(gè)晶體管，通常為一個(gè)增強型MOSFET。傳輸元件在線(xiàn)性區工作，將電流從電源傳輸至負載，就像一個(gè)“開(kāi)關(guān)”(與放大器相對應)。  

2. 柵極控制電路：向傳輸元件的柵極提供電壓來(lái)控制導通或關(guān)斷。它還被稱(chēng)為電平轉換電路，外部使能信號通過(guò)電平轉換來(lái)產(chǎn)生足夠高或者足夠低的柵極電壓(偏置電壓)來(lái)全面控制傳輸元件的導通和關(guān)斷。 

3. 輸入邏輯電路：主要功能是解釋使能信號，并觸發(fā)柵極控制電路來(lái)控制傳輸元件的導通和關(guān)斷。 

傳輸元件 

傳輸元件是高端開(kāi)關(guān)最基本的組成部分。最經(jīng)�？紤]的參數，特別是開(kāi)關(guān)導通時(shí)的阻抗(R_DSON)，與傳輸元件的結構和特性有直接關(guān)系。 

由于增強型MOSFET一般在工作期間消耗的電流較少，在關(guān)斷期間泄漏的電流也較少，并且具有比雙極晶體管更高的熱穩定性，所以被廣泛用作高端負載開(kāi)關(guān)中的傳輸元件。本文將專(zhuān)門(mén)介紹基于增強型MOSFET的傳輸元件。增強型MOSFET傳輸元件可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET。 

當N溝道FET的柵極電壓(V_G)比其源極電壓(V_S)和漏極電壓(V_D)高出一個(gè)閾值(V_T)時(shí)，N溝道FET就會(huì )被完全轉換至導通狀態(tài)或者工作于其線(xiàn)性區。以下式子給出了導通條件的數學(xué)表達式： 

V_G－V_S＝V_GS＞V_T 

V_G－V_T＞V_D

或者是，  

V_GS－V_T＞V_DS 

其中，V_G為柵極電壓、V_S為源極電壓、V_D為漏極電壓、V_T為FET的閾值電壓、V_GS為柵－源極壓降、V_DS為漏－源極壓降，所有參數均為正。 

圖1：具有內置電荷泵的N溝道FET高端負載開(kāi)關(guān)。

當N溝道FET導通時(shí)，漏極電流I_D為正，從漏極流向源極(如圖1和圖2所示)。當P溝道FET的柵極電壓(V_G)比其源極電壓(V_S)和漏極電壓(V_D)低出一個(gè)閾值(V_T)時(shí)，P溝道FET就會(huì )被完全轉換至導通狀態(tài)或者工作于其線(xiàn)性區：

圖2：具有額外VBIAS輸入的N溝道FET高端負載開(kāi)關(guān)。

V_S－V_G＝V_SG＞V_T 

V_D－V_T＞V_G

或者是， 

V_SG－V_T＞V_SD  

其中，V_G為柵極電壓、V_S為源極電壓、V_D為漏極電壓、V_T為FET的閾值電壓、V_SG為源柵極壓降、V_SD為源漏極壓降，這里的所有參數也均為正的。

當P溝道FET處于導通狀態(tài)時(shí)，漏極電流I_D為負，從源極流向漏極(圖3)。N溝道FET將電子用作“多數載流子”，與P溝道FET的“多數載流子”空穴相比，電子具有更高的移動(dòng)率。這意味著(zhù)，在相同的物理密度下，N溝道FET比P溝道FET具有更高的跨導，從而使得在導通狀態(tài)期間產(chǎn)生較低的漏－源極阻抗(即R_DSON)。N溝道FET的R_DSON一般為相同尺寸的P溝道FET的R_DSON的1/3~1/2，漏極電流I_D也會(huì )高出相應的倍數(未考慮連接線(xiàn)厚度和封裝等其它限制參數)。這還表示，對于相同的R_DSON和I_D，N溝道FET一般需要較少的硅片，因此它的柵極電容和閾值電壓比P溝道FET要低。 

圖3：P溝道FET高端負載開(kāi)關(guān)。

此外，由于當開(kāi)關(guān)導通時(shí)N溝道FET的V_D比V_G低V_T，并且V_D一般與V_IN相連，因此有可能傳遞給負載的V_IN非常低。理論上講，N溝道FET開(kāi)關(guān)的V_IN可以低至接近GND，并且不高于V_G-V_T。另一方面，P溝道FET開(kāi)關(guān)傳遞給負載的V_IN(與V_S相連)總是高于V_G+V_T。但這并不表示在任何情況下選擇傳輸元件時(shí)N溝道FET都比P溝道FET好。 

如上所述，N溝道FET的一個(gè)基本屬性是開(kāi)關(guān)導通時(shí)工作在線(xiàn)性區，V_G要比V_D高V_T。但是，由于V_D幾乎總是與V_IN(通常是開(kāi)關(guān)的最高電壓)相連，因此V_G必須從現有電壓(如外部使能信號EN)進(jìn)行由低向高的電平轉換，或者通過(guò)直流偏移進(jìn)行從低向高的偏置，直流偏移是單個(gè)新的高壓軌，通常被稱(chēng)為“V_BIAS”。  

如果柵極電壓從使能信號進(jìn)行從低向高的電平轉換，通常需要一個(gè)電荷泵作為附加的內部電路。電荷泵需要一個(gè)內置的振蕩器，芯片上至少需要一個(gè)“快速”(flying)電容器，從而產(chǎn)生柵極電壓(通常是在導通過(guò)程中的多個(gè)使能信號)。這當然增加了設計復雜性和硅片大小，從而抵消了N溝道FET因R_DSON較低所帶來(lái)的硅片縮小的優(yōu)勢。當負載電流相對較低(幾安培)時(shí)，電荷泵確實(shí)會(huì )增加硅片面積，并且增加的面積比R_DSON所能縮小的面積要大，這使得N溝道開(kāi)關(guān)解決方案的成本和設計復雜性要高于P溝道開(kāi)關(guān)方案。更多細節如圖1所示。 

如果柵極電壓通過(guò)直流偏移V_BIAS進(jìn)行從低向高的偏置，就不再需要電荷泵，從而硅片面積的增加也不再是主要問(wèn)題。但是由于可能不具備額外的高壓軌(這是大多數電池供電的設置和器件都需要的)，因此這可能不是系統級的最佳解決方案(圖2)。 

而在P溝道FET中，V_G通常低于V_S(與V_IN相連)。只要開(kāi)關(guān)導通時(shí)V_S保持在V_G±V_T的范圍，那么它將始終工作在線(xiàn)性區，并且不需要特定的內部電路或外部電壓軌。這是通過(guò)采用柵極控制電路將使能信號的電平從高向低轉換至適當的V_G電平來(lái)實(shí)現的。此方案不需要太多的電路或者額外的硅片面積(見(jiàn)圖3)。 

N溝道高端負載開(kāi)關(guān)通常是要求極低R_DSON的高功率系統或者要求將接近GND的低V_IN傳遞給負載的低輸入電壓系統的理想選擇。另一方面，P溝道高端負載開(kāi)關(guān)在要求設計復雜度不高的低功率系統或者要求將高V_IN傳遞給負載的高輸入電壓系統中具有一定優(yōu)勢。 

柵極控制  

柵極控制電路或者電平轉換電路通過(guò)控制MOSFET的V_G來(lái)實(shí)現其導通或關(guān)斷。柵極控制電路的輸出由從輸入邏輯電路收到的輸入直接決定。  

在導通期間，柵極控制電路的主要任務(wù)是對使能信號進(jìn)行電平轉換，以產(chǎn)生高(N溝道)或低(P溝道)V_G來(lái)完全導通開(kāi)關(guān)。同樣，在關(guān)斷期間，柵極控制電路產(chǎn)生低(N溝道)或高(P溝道)V_G來(lái)完全關(guān)斷開(kāi)關(guān)。 

許多高端負載開(kāi)關(guān)都在柵極控制電路中采用“斜率控制”或“軟啟動(dòng)”功能。斜率控制功能可以在開(kāi)關(guān)導通時(shí)限制V_G的上升速度，從而逐步產(chǎn)生I_D。其目的是為了保護負載不受過(guò)多“電涌”的影響，電涌有可能導致栓鎖等故障。  

負載有時(shí)不僅僅具有阻抗性，也會(huì )具有高容性。因此，當開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，聚集在容性負載上的電荷不會(huì )迅速放電，這會(huì )導致負載沒(méi)有完全關(guān)斷。為了避免這種情況，一些高端負載開(kāi)關(guān)加入了“活動(dòng)負載放電”功能，其目的是提供一個(gè)電流通路，在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)使容性負載迅速放電。通常采用一個(gè)小型低端FET來(lái)實(shí)現該功能。圖4是該方法的示意圖，其中，底部N溝道FET的柵極與柵極控制內核相連，漏極與負載相連，當頂部的主開(kāi)關(guān)P溝道FET關(guān)斷時(shí)，底部的N溝道FET導通，以使容性負載放電。

圖4：MIC94060/1/2/3P溝道高端負載開(kāi)關(guān)產(chǎn)品結構圖。

輸入邏輯 

輸入邏輯電路的唯一功能是解釋使能信號，并將正確的邏輯電平傳遞給柵極控制電路，以便柵極控制電路能夠以輸入邏輯電平控制傳輸元件的導通和關(guān)斷。輸入邏輯電路只采用下拉電阻就可以實(shí)現。 

在某些情況下，使能信號和柵極控制電路之間需要緩沖器。這是因為使能信號無(wú)法為柵極控制電路提供足夠的驅動(dòng)電流來(lái)驅動(dòng)V_G，而緩沖器卻可以充當額外驅動(dòng)電流的來(lái)源。 

關(guān)鍵應用參數 

工程師在設計中采用高端負載開(kāi)關(guān)時(shí)需要考慮一些關(guān)鍵應用參數。 

第一個(gè)關(guān)鍵參數是I_D。這是在設計周期早期選擇的系統級參數。高端負載開(kāi)關(guān)的I_D由MOSFET物理特性(N溝道或P溝道)、MOSFET的尺寸、連接線(xiàn)的物理特性(長(cháng)度和厚度)以及封裝的熱性能等參數決定。通常，高I_D開(kāi)關(guān)為N溝道，采用熱增強型封裝，而低I_D開(kāi)關(guān)為P溝道，采用小型封裝。 

第二個(gè)關(guān)鍵參數為R_DSON。當選定I_D時(shí)，R_DSON越低就越好。這是因為較低的R_DSON可以提高總效率、降低V_IN和負載之間的壓降并減輕開(kāi)關(guān)的散熱壓力。 

表1：N溝道FET開(kāi)關(guān)和P溝道FET開(kāi)關(guān)的比較。

如果I_D和R_DSON都已確定，設計人員通常會(huì )考慮開(kāi)關(guān)的以下四個(gè)關(guān)鍵參數：動(dòng)態(tài)響應、關(guān)斷電源電流、關(guān)斷泄漏電流和封裝尺寸。 

對于高端負載開(kāi)關(guān)，動(dòng)態(tài)響應是指負載電壓隨著(zhù)使能信號邏輯電平的變化從GND升至V_OUT(=V_IN-R_DSON×I_D)或者從V_OUT降至GND所用的時(shí)間。 

當使能信號在傳播延遲或導通延遲時(shí)間(t_{ON_DLY})之后使能時(shí)(由柵極控制電路和輸入邏輯電路引起)，V_G將轉換至導通開(kāi)關(guān)所需的足夠高(或足夠低)的電平。此時(shí)，負載上的輸出電壓(N溝道FET開(kāi)關(guān)的輸出電壓為V_S，P溝道FET開(kāi)關(guān)的輸出電壓為V_D)開(kāi)始上升，電壓達到滿(mǎn)V_OUT所用的時(shí)間稱(chēng)為導通上升時(shí)間(t_{ON_RISE})。要求快速響應的應用需要t_{ON_DLY}和t_{ON_RISE}足夠短，而需要軟件啟動(dòng)來(lái)限制電涌的應用則要求t_{ON_DLY}和t_{ON_RISE}相對較長(cháng)，這取決于系統要求。  

同樣，當使能信號在傳播延遲或關(guān)斷延遲時(shí)間(t_{ON_DLY})之后使能無(wú)效時(shí)，V_G將轉換至關(guān)斷開(kāi)關(guān)所需的足夠低(或足夠高)的電平。此時(shí)，負載上的輸出電壓從滿(mǎn)V_OUT開(kāi)始下降，電壓下降到GND所用的時(shí)間稱(chēng)為關(guān)斷下降時(shí)間(t_{OFF_FAIL})。通常要求t_{OFF_DLY}和t_{OFF_FAIL}足夠短，以便負載能夠迅速被關(guān)斷。如果負載具有較大的容性元件，活動(dòng)負載放電功能將有助于減小t_{OFF_FAIL}。 

關(guān)斷電源電流和關(guān)斷泄漏電流也是需要考慮的重要參數，特別是在設計需要較長(cháng)的電池工作時(shí)間的電池供電設備時(shí)。關(guān)斷電源電流是內部電路在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)消耗的電流。關(guān)斷泄漏電流是開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)MOSFET傳遞給輸出的電流。關(guān)斷電源電流和關(guān)斷泄漏電流越低，系統總效率就越高。對于電池供電的應用，這可以獲得更長(cháng)的電池工作時(shí)間。 

對于封裝尺寸(管腳面積和外形輪廓)而言，很明顯是越小越好。特別是對于空間有限的低電流系統(電池供電的手持設備)中使用的P溝道開(kāi)關(guān)，情況更是如此。  

Micrel半導體公司提供一套完整的P溝道FET高端負載開(kāi)關(guān)，目標市場(chǎng)為電池供電的便攜式設備。最新成員MIC94060/1/2/3產(chǎn)品系列擁有業(yè)內領(lǐng)先的關(guān)鍵參數，而這些參數都是設計師們最關(guān)心的。 

表2：MIC94060/1/2/3與其它產(chǎn)品的比較。

從表2可看出，MIC94060/1/2/3可在2A電流等級提供75m?的最佳R_DSON。此外，它還具有市場(chǎng)上最低的關(guān)斷電源電流和關(guān)斷泄漏電流，具有導通和關(guān)斷狀態(tài)下出色的動(dòng)態(tài)響應以及1.2×1.6mm的最小MLF封裝。因此，在文章開(kāi)頭提到的那些電池供電的便攜式設備中，MIC94060/1/2/3已經(jīng)確立了其性能領(lǐng)先的地位。