如何利用IC負(fù)載開關(guān)的特性來安全地降低功耗

圖2：負(fù)載開關(guān)通常具有其他功能，包括放電控制，擺率控制，各種形式的保護(hù)和故障監(jiān)視。（圖片來源：Vishay Siliconix）

除了邏輯電平控制功能外，為什么還要使用負(fù)載開關(guān)？有幾個(gè)原因：

整體驅(qū)動(dòng)器管理對(duì)門極的充電和放電，從而提供MOSFET導(dǎo)通/關(guān)斷周期上升/下降時(shí)間的轉(zhuǎn)換速率控制。這可以優(yōu)化MOSFET性能，避免過沖和振鈴，并將不合需要的EMI /RFI降至最低。

此外，通過控制開關(guān)中MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，可以防止由于快速嘗試對(duì)負(fù)載電容充電導(dǎo)致的突入電流的突然增加而導(dǎo)致輸入電壓軌下垂。如果相同的輸入軌還為其他必須保持充分供電的子系統(tǒng)供電，則此問題會(huì)出現(xiàn)問題。

一些負(fù)載開關(guān)通過輸出和地之間的片上電阻提供快速輸出放電（QOD）功能; 當(dāng)器件通過ON引腳禁用時(shí)，該模式被激活。這會(huì)使輸出節(jié)點(diǎn)放電，并防止輸出浮空，這會(huì)在負(fù)載電路未關(guān)閉到定義狀態(tài)時(shí)導(dǎo)致不需要的活動(dòng)。

請(qǐng)注意，此功能有時(shí)不受歡迎：如果負(fù)載開關(guān)的輸出連接到電池，當(dāng)通過ON引腳禁用負(fù)載開關(guān)時(shí)，這種快速輸出放電會(huì)導(dǎo)致電池耗盡 - 這不是好事！因此，一些供應(yīng)商將其作為單個(gè)設(shè)備中的可選功能提供，而另一些供應(yīng)商提供兩種負(fù)載開關(guān)的變體，一種具有它，另一種不具備。前一種選項(xiàng)允許將多個(gè)相同部件用于單個(gè)產(chǎn)品，但在不同情況下使用。

負(fù)載開關(guān)可以包含其他功能，例如熱關(guān)斷，欠壓閉鎖，電流限制和反向電流保護(hù)等，這些功能都可以在電源和導(dǎo)軌上使用。這些保護(hù)功能有助于系統(tǒng)級(jí)完整性。

與開始使用基本MOSFET來切換電源軌并增加這些功能相比，整體BOM，設(shè)計(jì)時(shí)間和房地產(chǎn)成本可以大大降低。

進(jìn)一步來說，負(fù)載開關(guān)的使用并不局限于簡(jiǎn)單的關(guān)閉以節(jié)省電力。通過使用一組負(fù)載開關(guān)，單個(gè)較大的電源可以為多個(gè)電路子部分供電，這些子部分的上/下功率通過多個(gè)數(shù)字輸出控制下的規(guī)定序列和時(shí)序?qū)崿F(xiàn)（圖3）。以這種方式，負(fù)載開關(guān)充當(dāng)更廣泛和有效的電源管理控制方案的門控元件。

圖3：負(fù)載開關(guān)允許單電源驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載，每個(gè)負(fù)載都具有獨(dú)立的開啟/關(guān)閉和相對(duì)定時(shí)。（圖片來源：德州儀器）

請(qǐng)記住，負(fù)載開關(guān)在其輸入側(cè)需要一個(gè)電容（通常為1微法（μF）），以限制由流入放電負(fù)載電容的瞬態(tài)涌入電流引起的輸入電源電壓降。他們還需要“看到”一個(gè)約為輸入電容值十分之一的負(fù)載電容; 如果負(fù)載小于這個(gè)值，應(yīng)該增加一個(gè)小的輸出電容。

加載開關(guān)參數(shù)
負(fù)載開關(guān)的性能屬性從用作開/關(guān)開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)FET開始。這些包括：

導(dǎo)通電阻（R on）決定負(fù)載開關(guān)兩端的電壓降以及開關(guān)的功耗。典型值在幾十毫歐范圍內(nèi)，但會(huì)隨個(gè)別供應(yīng)商產(chǎn)品和負(fù)載開關(guān)電流容量而變化。設(shè)計(jì)者必須做一些基本的計(jì)算來確定應(yīng)用程序中的最大允許值。

最大電壓（V in）和電流（I max）額定值指定了開關(guān)可承受的電壓有多高以及最大電流有多大。設(shè)計(jì)師應(yīng)該檢查穩(wěn)態(tài)值以及這些因素的瞬態(tài)和峰值。

其他參數(shù)是靜態(tài)電流和關(guān)斷電流。靜態(tài)電流是負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通時(shí)負(fù)載開關(guān)所消耗的電流，因此成為浪費(fèi)的功率。與負(fù)載本身消耗的功率相比，這可以忽略不計(jì)。關(guān)斷電流是當(dāng)開關(guān)處于關(guān)斷模式時(shí)從負(fù)載開關(guān)“泄漏”到負(fù)載的電流。

負(fù)載切換從簡(jiǎn)單到復(fù)雜
用額外的功能的負(fù)載開關(guān)的一個(gè)很好的例子是NCP330從安森美半導(dǎo)體。這是一個(gè)基本的N溝道MOSFET負(fù)載開關(guān)，但它包括一個(gè)2毫秒的軟啟動(dòng)模式，用于突發(fā)負(fù)載的應(yīng)用可能有害的情況。在有電池容量有限的移動(dòng)應(yīng)用中，這通常是必需的（圖4）。

圖4：安森美半導(dǎo)體的NCP330負(fù)載開關(guān)包含一個(gè)2毫秒的回轉(zhuǎn)模式，因此負(fù)載不會(huì)突然連接到電源。這可以防止供應(yīng)和負(fù)載的各種操作和性能問題。（圖片來源：安森美半導(dǎo)體）

NCP330的導(dǎo)通電阻非常低，只有30mΩ，因此非常適合用于以3安培（A）（5 A峰值）充電的系統(tǒng)電池。如果電源連接到Vin引腳（高電平有效），則1.8 V至5.5 V器件將自動(dòng)啟用。如果沒有輸入電壓，它通過一個(gè)內(nèi)部下拉電阻保持關(guān)閉狀態(tài)。還內(nèi)置反向電壓保護(hù)。

Vishay Siliconix提供SiP32408和SiP32409擺率控制負(fù)載開關(guān)（2.5 V 3.6 V時(shí)），設(shè)計(jì)用于1.1 V至5.5 V的操作。SIP32409與SiP32408相同，但具有快速關(guān)斷輸出放電電路。其中一個(gè)關(guān)鍵特性是其導(dǎo)通電阻（通常為42mΩ）在1.5至5伏的大部分電源范圍內(nèi)保持平坦。另一個(gè)屬性是控制使能電壓也很低，所以它可以用在低電壓電路中而不需要電平轉(zhuǎn)換器（圖5）。

圖5：來自Vishay Siliconix的SiP32408和類似SiP32409負(fù)載開關(guān)的控制使能信號(hào)低和高邏輯電平閾值與輸入電壓之間的關(guān)系。（圖片來源：Vishay Siliconix）

雖然負(fù)載開關(guān)在封裝引腳的數(shù)量和功能方面是相對(duì)簡(jiǎn)單的器件，但是當(dāng)電流流動(dòng)和可能的寄生效應(yīng)時(shí)，布局仍然是個(gè)問題。出于這個(gè)原因，最好使用公司建議的印刷電路板布局（圖6）以及1×1英寸（2.5×2.5厘米）評(píng)估板的頂部和底部布局（圖7）。

圖6：需要仔細(xì)規(guī)劃印刷電路板布局和元件布局，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載開關(guān)（如SiP32408和SiP32409）的全部性能，以便地噪聲，寄生效應(yīng)和電流不會(huì)影響最大性能。（圖片來源：Vishay Siliconix）

圖7：除了展示SiP32408和SiP32409的首選印制電路板布局外，Vishay Siliconix還為這些器件的小型評(píng)估板提供布局。（圖片來源：Vishay Siliconix）

在越來越常見的較低電壓下使用的負(fù)載開關(guān)是德州儀器（Texas Instruments ）的TPS22970，它可以在低至0.65 V至3.6 V的輸入電壓下工作（圖8）。導(dǎo)通電阻也很低，從1.8 V輸入典型4.7mΩ，在0.65 V時(shí)略微上升到6.4mΩ。該開關(guān)處理4 A的連續(xù)電流，通態(tài)靜態(tài)電流為30μA（典型值）輸入電壓為1.2 V，輸入電壓高于1.8 V時(shí)的關(guān)斷狀態(tài)電流為1μA。

圖8：TPS22970的基本應(yīng)用顯示了臨界輸入（源）電容和有時(shí)不必要的輸出（負(fù)載）電容; 它還清楚地表明負(fù)載開關(guān)是簡(jiǎn)單的四端設(shè)備。（圖片來源：德州儀器）

TPS22970具有150Ω的片內(nèi)電阻，可在開關(guān)禁用時(shí)快速放電輸出。這可以避免由負(fù)載看到浮動(dòng)電源引起的任何未知狀態(tài)。在輸入電壓分別為3.6伏和0.65伏時(shí)，擺率控制的開啟時(shí)間分別為1.5毫秒（ms）和0.8毫秒。全面的數(shù)據(jù)表（長(zhǎng)達(dá)25頁(yè)，用于四端設(shè)備）包含許多詳細(xì)的表格和圖表，可以從各種角度全面表征其性能。例如，它顯示了四個(gè)輸入電壓中每一個(gè)的上升和下降時(shí)間與溫度的關(guān)系（圖9）。

圖9：TPS22970的負(fù)載電阻為10Ω，負(fù)載電容為0.1μF時(shí)的上升時(shí)間（左）和下降時(shí)間（右）與溫度的關(guān)系。（圖片來源：德州儀器）

結(jié)論
MOSFET本身可以提供一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案來打開和關(guān)閉DC，以最大限度地降低功耗，實(shí)現(xiàn)多個(gè)負(fù)載的排序以及控制電源時(shí)序。但是，集成了MOSFET，驅(qū)動(dòng)器，擺率控制和各種形式的故障保護(hù)的負(fù)載開關(guān)通常是更好的選擇，因?yàn)樗梢栽趩蝹€(gè)小尺寸器件中提供所有這些額外功能。

負(fù)載開關(guān)提供一系列來自多個(gè)供應(yīng)商的性能參數(shù)和額定值，可以很好地適應(yīng)應(yīng)用優(yōu)先級(jí)和可用部件。