負載開關技術的發展在現代應用的電源管理中發揮重要作用

　　作者/Bryson Barney 安森美半導體 應用工程師

　　摘要：負載開關在電源管理和負載保護中發揮重要作用。在為特定應用選擇負載開關時有一些因素要考慮，此外，現在還可以使用一些性能和功能得以改進的新器件。

　　關鍵詞：負載開光；電源管理；導通電阻

　　0 引言

　　電源是推動我們現代世界技術的命脈，我們越來越依賴高科技產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、低功耗應用的一個重要主題。無論是為更大的設備開發復雜的多軌電源系統，還是利用電池供電設備的最后一小部分電量，電源管理都是設計人員的首要優先項目。

　　在大大小小的系統中，負載開關在電源管理和負載保護中發揮重要作用。在為特定應用選擇負載開關時有一些因素要考慮，此外，現在還可以使用一些性能和功能得以改進的新器件。

　　1 標準的負載開關

　　任何負載開關的主要功能是連接/斷開電源和負載?？刹捎脙H使用一個簡單的通路MOSFET的分立方案來實現這個功能；但全集成的負載開關器件通常比分立方案小，減少了器件的數量，并且提供更強大的功能，包括對過溫、欠電壓和過電流故障條件的檢測和保護等功能。有時還包括反向電流保護，使任何試圖從負載流向源的電流被阻斷。這對于許多應用使用的最新的供電標準USB-C尤其有用。所有集成負載開關至少包括四個引腳——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輸出提供保護功能，如圖1所示。

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

　　有些負載開關還包含一個泄漏電阻器，支持存儲在負載中任何能量的快速放電，在負載開關關斷時，消除負載電源引腳上的浮動節點。

　　2 負載開關系統使用和配置

　　負載開關最常見的一個應用是管理系統中獨立的電源域。該控制在電池供電設備中特別有用，防止任何不必要的能量消耗，對獲得最長的電池運行時間至關重要。

　　負載開關可用于控制系統中被劃分為邏輯域的各個部分的功率，如圖2所示。在實際使用中，只需要很短時間的部分，如傳感器或發射/接收電路，只在需要激活的短時間內接通電源。

　　此外，針對單個負載有多個電源的系統，如圖3所示，可使用負載開關。在這樣的系統中，可以控制負載的功率傳輸，例如，從主電源或備用電池供電。

　　復雜的系統通常需要多個電源軌，在許多情況下，這些軌道必須按照一定的順序工作，以便系統正常運行。例如，可能有必要在啟用無線電發射機前完全啟動核心處理器，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現上電序列，從而以正確的時序啟用負載開關，但如果使用“powergood”輸出，負載開關還可以提供獨立序列，如圖4所示。通過將一個負載開關的Power Good引腳鏈接到下一個負載開關的EN引腳，可“菊鏈(daisychained)”多個負載開關。如果相位間需要更大的延遲，則可添加一個電容器到接地控制線以增加延遲。

　　3 為應用選擇合適的負載開關

　　目前有許多類型的負載開關，為設計人員在為特定應用選擇器件時提供廣泛的選擇。雖然最初選擇起來似乎很困難，但通過考慮六個主要參數，評估選項并找到最佳器件就相對簡單了。

　　能效很重要，而且通常是在應用中使用負載開關的一個關鍵原因。設計人員應密切關注所考慮器件的導通電阻R ON 。開關電阻越低，工作時從V IN 到V OUT 的壓降越低，從而降低了負載開關的功耗和散熱。

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

　　靜態電流(負載開關開啟時使用的能量)應盡可能低，就像任何漏電流 (負載開關MOSFET關斷時從電源到負載的電流) 一樣低。

　　最后，對于特定應用，響應速度對于開關所需的時間以及任何故障保護操作的時間都至關重要。該響應時間受MOSFET尺寸的影響，器件尺寸越大，需要更多的電荷，因此運行速度越慢。同樣，過度設計過大的FET會導致更差的瞬態性能。

　　4 ecoSWITCH?——全面的負載開關系列

　　安森美半導體的ecoSWITCH TM 系列負載管理器件為設計人員提供目前同類最佳的導通電阻R ON 。該系列包括20多個不同的產品，并隨著安森美半導體推出新的負載開關還在不斷壯大陣容。

　　NCP45560僅是ecoSWITCH系列之中的其中一個器件。該器件采用省空間的3 mm x 3 mm DFN12封裝，能持續高能效地開關達24 A的電流，導通電阻低至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用，結合許多保護功能，同時比分立方案大大節省空間和成本。

　　5 總結

　　隨著電源需求變得越來越復雜，對小型便攜式電池供電設備盡可能高能效工作的要求在增長，負載開關越來越受歡迎，因為它使設計人員能實現高能效、精密的電源方案，即使是在最小的設備中。

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