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什么是負載開關,為什么需要負載開關?

發布時間:2015-7-7 10:32    發布者:designapp
集成負載開關是可用于開啟和關閉系統中的電源軌的電子繼電器。負載開關為系統帶來許多其它優勢,并且集成通常難以用分立元件實現的保護功能。負載開關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 什么是負載開關?

集成負載開關是可用于開啟和關閉電源軌的集成電子繼電器。大部分基本負載開關包含四個引腳:輸入電壓引腳、輸出電壓引腳、使能引腳和接地引腳。當通過ON 引腳使能器件時,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. 常規負載開關電路圖

1.1 常規負載開關框圖

了解負載開關的架構對于確定負載開關的規范很有幫助。圖2所示為基本負載開關的框圖,該負載開關包括五個基本模塊。可以包含更多模塊以向負載開關添加功能。


圖2. 常規負載開關框圖

1. 導通FET 是負載開關的主要元件,它決定了負載開關可處理的最大輸入電壓和最大負載電流。負載開關的導通電阻是導通FET 的特性,將用于計算負載開關的功耗。導通FET 既可以是N 溝道FET,也可以是P 溝道FET,這將決定負載開關的架構。

2. 柵極驅動器以控制方式對FET 的柵極進行充放電,從而控制器件的上升時間。

3. 控制邏輯由外部邏輯信號驅動。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)的接通和關斷。

4. 并非所有負載開關中均包含電荷泵。電荷泵用于帶有N 溝道FET 的負載開關,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連接VOUT 到GND 的片上電阻,當通過ON 引腳禁用器件時,該電阻導通。這將對輸出節點進行放電,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,此功能才有效。

6. 不同的負載開關中還包括其它功能。這些功能包括但不限于熱關斷、限流和反向電流保護。

1.2 負載開關的常見數據表參數和定義

●輸入電壓范圍(VIN) – 這是負載開關可支持的輸入電壓范圍。
●偏置電壓范圍(VBIAS) – 這是負載開關可支持的偏置電壓范圍。為負載開關的內部模塊供電可能需要此參數,具體取決于負載開關的架構。
●最大連續電流(IMAX) – 這是負載開關可支持的最大連續直流電流。
●導通狀態電阻(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 上沒有任何負載時流入VIN 引腳的電流為測量值。
●關斷電流(ISD) – 這是禁用器件時流入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流向ON 引腳的電流量。
●下拉電阻(RPD) – 這是禁用器件時從VOUT 到GND 的下拉電阻值。

下面將概述一些可以通過使用負載開關獲得好處的應用。
        
2 為什么需要負載開關

本部分將概述一些可以通過使用負載開關獲得好處的應用。

2.1 配電

許多系統對子系統配電的控制有限。如圖3 所示,可使用負載開關來接通和關斷輸入電壓相同的子系統,而不使用多個DC/DC轉換器或LDO。使用負載開關后,可通過對各個負載的控制在不同負載間進行配電。


圖3. 配電框圖

2.2 上電排序和電源狀態轉換

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序。通過使用GPIO 或I2C 接口,負載開關成為可實現滿足上電要求的上電排序的簡單解決方案。負載開關可提供每個電源路徑的獨立控制,從而簡化上電排序的負載點控制,如圖4 所示。


圖4. 使用負載開關的上電排序

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。可以使用負載開關關閉這些子系統的電源來限制漏電流量和功耗。圖5 顯示了使用和不使用負載開關時的漏電流對比情況。有關詳細信息,請參見輸入和輸出電容部分。


圖5. 使用和不使用負載開關時的漏電流對比情況

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。但即使是處于關斷狀態,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負載開關可顯著減小漏電流。因此,在電源路徑中放置一個負載開關可大幅降低功耗。
        
2.4 浪涌電流控制

在沒有任何轉換率控制的情況下開啟子系統時,可能會由于負載電容快速充電產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,因此這會引發問題(圖6)。負載開關可以通過控制輸出電壓的上升時間來消除輸入電壓的下陷,從而解決此問題(圖7)。


圖6. 導致電源電壓突降的浪涌電流


圖7. 使用負載開關的轉換率控制

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 關閉時,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作,因為下游模塊并未在斷電后到達指定狀態。


圖8. 未使用負載開關時的不受控斷電

使用帶快速輸出放電功能的負載開關可緩解這些問題。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。


圖9. 使用負載開關時的受控斷電
        
2.6 保護特性

某些應用可能需要負載開關中集成故障保護功能。一些負載開關包括反向電流保護、ON 引腳滯后、限流、欠壓鎖定和過熱保護等集成功能。與通過離散元件實現這些復雜電路不同,使用集成負載開關可減少物料清單數量、減小解決方案尺寸并縮短開發時間。下面簡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,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,開關將被禁用,同時體二極管斷開以防止出現流向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 線上出現噪聲,控制電路也將按預期工作。圖10 說明了ON 引腳滯后如何為GPIO 使能線提供穩定性。
●限流功能將限制負載開關輸出的電流量。這將確保外部電路不會拉過量的電流。如果電流不受限制,外部電路可能會使主系統停止工作。在限流模式下,負載開關提供連續電流,直至開關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關閉器件,以確保下游電路不會因為供電電壓低于預期值而損壞。
●過熱保護功能可在器件溫度超出閾值溫度時禁用開關。憑借此功能,器件可用作在檢測到高溫時關斷的安全開關。


圖10. ON 引腳滯后

2.7 減少BOM 數量和PCB 面積

使用集成負載開關可減少系統的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關來減少系統中的元件總數。分離創建負載開關時,將需要多個電阻、電容和晶體管來實現柵極驅動器、控制邏輯、輸出放電和保護功能。而采用集成負載開關,只需單個器件便可實現全部功能,從而顯著降低BOM數量。
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