集成負載開(kāi)關(guān)是可用于開(kāi)啟和關(guān)閉系統中的電源軌的電子繼電器。負載開(kāi)關(guān)為系統帶來(lái)許多其它優(yōu)勢，并且集成通常難以用分立元件實(shí)現的保護功能。負載開(kāi)關(guān)可用于多種不同的應用，包括但不限于：
●配電
●上電排序和電源狀態(tài)轉換
●減小待機模式下的漏電流
●浪涌電流控制
●斷電控制
1什么是負載開(kāi)關(guān)？
集成負載開(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。當通過(guò)ON引腳使能器件時(shí)，導通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.常規負載開(kāi)關(guān)電路圖
1.1常規負載開(kāi)關(guān)框圖
了解負載開(kāi)關(guān)的架構對于確定負載開(kāi)關(guān)的規范很有幫助。圖2所示為基本負載開(kāi)關(guān)的框圖，該負載開(kāi)關(guān)包括五個(gè)基本模塊�？梢园嗄K以向負載開(kāi)關(guān)添加功能。
圖2.常規負載開(kāi)關(guān)框圖
1.導通FET是負載開(kāi)關(guān)的主要元件，它決定了負載開(kāi)關(guān)可處理的最大輸入電壓和最大負載電流。負載開(kāi)關(guān)的導通電阻是導通FET的特性，將用于計算負載開(kāi)關(guān)的功耗。導通FET既可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET，這將決定負載開(kāi)關(guān)的架構。
2.柵極驅動(dòng)器以控制方式對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驅動(dòng)。它控制了導通FET和其它模塊（如快速輸出放電模塊、充電泵和帶保護功能的模塊）的接通和關(guān)斷。
4.并非所有負載開(kāi)關(guān)中均包含電荷泵。電荷泵用于帶有N溝道FET的負載開(kāi)關(guān)，因為柵極和源極（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，當通過(guò)ON引腳禁用器件時(shí)，該電阻導通。這將對輸出節點(diǎn)進(jìn)行放電，從而防止輸出浮空。對于帶有快速輸出放電模塊的器件，僅當VIN和VBIAS處于工作范圍內時(shí)，此功能才有效。
6.不同的負載開(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。
1.2負載開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)數據表參數和定義
●輸入電壓范圍（VIN）–這是負載開(kāi)關(guān)可支持的輸入電壓范圍。
●偏置電壓范圍（VBIAS）–這是負載開(kāi)關(guān)可支持的偏置電壓范圍。為負載開(kāi)關(guān)的內部模塊供電可能需要此參數，具體取決于負載開(kāi)關(guān)的架構。
●最大連續電流（IMAX）–這是負載開(kāi)關(guān)可支持的最大連續直流電流。
●導通狀態(tài)電阻（RON）–這是在VIN引腳與VOUT引腳間測得的電阻，其中考慮了封裝和內部導通FET的電阻。
●靜態(tài)電流（IQ）–這是為器件的內部模塊供電所需的電流量，以VOUT上沒(méi)有任何負載時(shí)流入VIN引腳的電流為測量值。
●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)使用負載開(kāi)關(guān)獲得好處的應用。
集成負載開(kāi)關(guān)是可用于開(kāi)啟和關(guān)閉系統中的電源軌的電子繼電器。負載開(kāi)關(guān)為系統帶來(lái)許多其它優(yōu)勢，并且集成通常難以用分立元件實(shí)現的保護功能。負載開(kāi)關(guān)可用于多種不同的應用，包括但不限于：
●配電
●上電排序和電源狀態(tài)轉換
●減小待機模式下的漏電流
●浪涌電流控制
●斷電控制
1什么是負載開(kāi)關(guān)？
集成負載開(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。當通過(guò)ON引腳使能器件時(shí)，導通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.常規負載開(kāi)關(guān)電路圖
1.1常規負載開(kāi)關(guān)框圖
了解負載開(kāi)關(guān)的架構對于確定負載開(kāi)關(guān)的規范很有幫助。圖2所示為基本負載開(kāi)關(guān)的框圖，該負載開(kāi)關(guān)包括五個(gè)基本模塊�？梢园嗄K以向負載開(kāi)關(guān)添加功能。
圖2.常規負載開(kāi)關(guān)框圖
1.導通FET是負載開(kāi)關(guān)的主要元件，它決定了負載開(kāi)關(guān)可處理的最大輸入電壓和最大負載電流。負載開(kāi)關(guān)的導通電阻是導通FET的特性，將用于計算負載開(kāi)關(guān)的功耗。導通FET既可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET，這將決定負載開(kāi)關(guān)的架構。
2.柵極驅動(dòng)器以控制方式對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驅動(dòng)。它控制了導通FET和其它模塊（如快速輸出放電模塊、充電泵和帶保護功能的模塊）的接通和關(guān)斷。
4.并非所有負載開(kāi)關(guān)中均包含電荷泵。電荷泵用于帶有N溝道FET的負載開(kāi)關(guān)，因為柵極和源極（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，當通過(guò)ON引腳禁用器件時(shí)，該電阻導通。這將對輸出節點(diǎn)進(jìn)行放電，從而防止輸出浮空。對于帶有快速輸出放電模塊的器件，僅當VIN和VBIAS處于工作范圍內時(shí)，此功能才有效。
6.不同的負載開(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。
1.2負載開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)數據表參數和定義
●輸入電壓范圍（VIN）–這是負載開(kāi)關(guān)可支持的輸入電壓范圍。
●偏置電壓范圍（VBIAS）–這是負載開(kāi)關(guān)可支持的偏置電壓范圍。為負載開(kāi)關(guān)的內部模塊供電可能需要此參數，具體取決于負載開(kāi)關(guān)的架構。
●最大連續電流（IMAX）–這是負載開(kāi)關(guān)可支持的最大連續直流電流。
●導通狀態(tài)電阻（RON）–這是在VIN引腳與VOUT引腳間測得的電阻，其中考慮了封裝和內部導通FET的電阻。
●靜態(tài)電流（IQ）–這是為器件的內部模塊供電所需的電流量，以VOUT上沒(méi)有任何負載時(shí)流入VIN引腳的電流為測量值。
●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)使用負載開(kāi)關(guān)獲得好處的應用。
2為什么需要負載開(kāi)關(guān)
本部分將概述一些可以通過(guò)使用負載開(kāi)關(guān)獲得好處的應用。
2.1配電
許多系統對子系統配電的控制有限。如圖3所示，可使用負載開(kāi)關(guān)來(lái)接通和關(guān)斷輸入電壓相同的子系統，而不使用多個(gè)DC/DC轉換器或LDO.使用負載開(kāi)關(guān)后，可通過(guò)對各個(gè)負載的控制在不同負載間進(jìn)行配電。
圖3.配電框圖
2.2上電排序和電源狀態(tài)轉換
在某些系統（尤其是帶有處理器的系統）中，必須遵循嚴格的上電時(shí)序。通過(guò)使用GPIO或I2C接口，負載開(kāi)關(guān)成為可實(shí)現滿(mǎn)足上電要求的上電排序的簡(jiǎn)單解決方案。負載開(kāi)關(guān)可提供每個(gè)電源路徑的獨立控制，從而簡(jiǎn)化上電排序的負載點(diǎn)控制，如圖4所示。
圖4.使用負載開(kāi)關(guān)的上電排序
2.3降低漏電流
在許多設計中，存在只在特定工作模式期間使用的子系統�？梢允褂秘撦d開(kāi)關(guān)關(guān)閉這些子系統的電源來(lái)限制漏電流量和功耗。圖5顯示了使用和不使用負載開(kāi)關(guān)時(shí)的漏電流對比情況。有關(guān)詳細信息，請參見(jiàn)輸入和輸出電容部分。
圖5.使用和不使用負載開(kāi)關(guān)時(shí)的漏電流對比情況
在一些應用中，可禁用電路（如DC/DC轉換器、LDO和模塊）并將其置于待機模式。但即使是處于關(guān)斷狀態(tài)，這些模塊的漏電流也相對較高。如上圖所示，在負載前面放置一個(gè)負載開(kāi)關(guān)可顯著(zhù)減小漏電流。因此，在電源路徑中放置一個(gè)負載開(kāi)關(guān)可大幅降低功耗。
2.4浪涌電流控制
在沒(méi)有任何轉換率控制的情況下開(kāi)啟子系統時(shí)，可能會(huì )由于負載電容快速充電產(chǎn)生浪涌電流而導致輸入軌下陷。由于此輸入軌可能正在為其它子系統供電，因此這會(huì )引發(fā)問(wèn)題（圖6）。負載開(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.導致電源電壓突降的浪涌電流
圖7.使用負載開(kāi)關(guān)的轉換率控制
2.5斷電控制
當不帶快速輸出放電功能的DC/DC轉換器或LDO關(guān)閉時(shí)，負載電壓保持浮空，斷電取決于負載，如圖8所示。這可能導致出現預想外的動(dòng)作，因為下游模塊并未在斷電后到達指定狀態(tài)。
圖8.未使用負載開(kāi)關(guān)時(shí)的不受控斷電
使用帶快速輸出放電功能的負載開(kāi)關(guān)可緩解這些問(wèn)題。負載將以受控方式快速斷電，并將復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.使用負載開(kāi)關(guān)時(shí)的受控斷電
2.6保護特性
某些應用可能需要負載開(kāi)關(guān)中集成故障保護功能。一些負載開(kāi)關(guān)包括反向電流保護、ON引腳滯后、限流、欠壓鎖定和過(guò)熱保護等集成功能。與通過(guò)離散元件實(shí)現這些復雜電路不同，使用集成負載開(kāi)關(guān)可減少物料清單數量、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，當二極管壓降導致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用獲益，如電流不應從VOUT流向VIN的電源多路復用器應用。有許多不同的方法可實(shí)現反向電流保護。在某些情況下，器件（如TPS22912）將監視VIN引腳和VOUT引腳上的電壓。當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功能。
●ON引腳滯后功能可使GPIO使能更穩定。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)上出現噪聲，控制電路也將按預期工作。圖10說(shuō)明了ON引腳滯后如何為GPIO使能線(xiàn)提供穩定性。
●限流功能將限制負載開(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 )使主系統停止工作。在限流模式下，負載開(kāi)關(guān)提供連續電流，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 )因為供電電壓低于預期值而損壞。
●過(guò)熱保護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數量和PCB面積
使用集成負載開(kāi)關(guān)可減少系統的BOM數量。如果有離散FET與其它元件配合使用，則可以考慮使用負載開(kāi)關(guān)來(lái)減少系統中的元件總數。分離創(chuàng )建負載開(kāi)關(guān)時(shí)，將需要多個(gè)電阻、電容和晶體管來(lái)實(shí)現柵極驅動(dòng)器、控制邏輯、輸出放電和保護功能。而采用集成負載開(kāi)關(guān)，只需單個(gè)器件便可實(shí)現全部功能，從而顯著(zhù)降低BOM數量。
|
