負(fù)載開關(guān)對電源軌進(jìn)行電子開/關(guān)控制設(shè)計(jì)

在幾乎所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，管理直流電源軌以及保護(hù)它們免受各種內(nèi)部和外部故障模式的影響都是至關(guān)重要的。當(dāng)有多個電源軌時，挑戰(zhàn)就變得復(fù)雜了。在今天的系統(tǒng)中，采用小型、低功耗和電池供電型設(shè)計(jì)這樣的情況越來越多。

電源軌的管理始于一個電源管理集成電路 (PMIC)，它根據(jù)需要指定開啟和關(guān)閉流向電源軌的電流。PMIC 還負(fù)責(zé)管理多個電源軌之間的時間和順序。然而，對電源軌的實(shí)際物理層面的控制是負(fù)載開關(guān)的任務(wù)，這是一種基于 MOSFET 的安排，可以接受允許電流通過或阻止電流的指示。

除了諸如浪涌電流壓擺率控制和超溫保護(hù)等基本要求外，現(xiàn)在越來越多地要求負(fù)載開關(guān)提供其他功能和特性，如受控掉電、快速輸出放電和真正的反向電流阻斷等，但所有這些都很難用基于分立式 FET 的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

為了繞過這種復(fù)雜性，同時減少分立式實(shí)現(xiàn)方式所需的成本和電路板空間，設(shè)計(jì)人員可以選擇負(fù)載開關(guān) IC，將所需的功能與開關(guān)集成在一個封裝中。這些集成式負(fù)載開關(guān)解決或避免了許多操作性的電源軌問題，也有助于滿足許多移動或電池供電型設(shè)計(jì)要求。

本文將討論負(fù)載開關(guān)的作用，其基本功能、附加功能以及高級特性，正是這些功能使得它們不僅僅相對簡單，而且可對電源軌進(jìn)行電子開/關(guān)控制。文章將使用 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) 的 TCK12xBG 系列中的三個新型負(fù)載開關(guān) IC 來描述這些要點(diǎn)，并展示如何應(yīng)用它們來滿足最新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要。

負(fù)載開關(guān)基礎(chǔ)知識

基本型負(fù)載開關(guān)只有四個引腳：輸入電壓、輸出電壓、使能和接地（圖 1）。當(dāng)一個邏輯電平控制信號施加到其 ON/OFF 控制引腳（可以是高電平有效或低電平有效）時，該器件即被啟用，然后直通 FET 打開。這允許電流從輸入引腳 VIN 流向輸出引腳 VOUT，從而向負(fù)載電路提供電能。

圖 1：負(fù)載開關(guān)是一個基于 FET 的直通設(shè)備，它可以通過一個電子控制信號允許/阻止電流從直流電源流向其負(fù)載。（圖片來源：Bill Schweber）

負(fù)載開關(guān)不僅僅是一個封裝的直通 FET。至少還包括控制邏輯、場效應(yīng)管驅(qū)動器、電平移位器和各種電路保護(hù)功能，如過流保護(hù)和防回流（也稱為反向電流），而過流和回流都會損壞系統(tǒng)及其元件。它們還可以實(shí)現(xiàn)其他有用的功能，如在電源軌開啟時進(jìn)行壓擺率控制和超溫保護(hù)。

在其最簡單的應(yīng)用中，負(fù)載開關(guān)用在電源和單個負(fù)載的電源軌之間，以便在需要時通過 PMIC 進(jìn)行開啟，或進(jìn)入靜態(tài)狀態(tài)以節(jié)省電力（圖 2）。

圖 2：在其最簡單的應(yīng)用中，負(fù)載開關(guān)由 PMIC 控制，并控制流向負(fù)載的電流。（圖片來源：Toshiba）

負(fù)載開關(guān)參數(shù)

負(fù)載開關(guān)有幾個關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)人員必須評估。其中三個最重要的參數(shù)分別是最大輸入電壓、最大輸出電流和“導(dǎo)通”電阻。其他參數(shù)可能也很關(guān)鍵，具體取決于應(yīng)用需要，包括：

靜態(tài)電流 (IQ)：為負(fù)載開關(guān)供電所需的電流，其輸出端沒有任何電流。

關(guān)斷（待機(jī)）電流 (ISD)：器件被禁用時流入 VIN 的電流。

ON 引腳輸入泄漏電流 (ION)：器件啟用時流入 ON/OFF 控制引腳的電流。

低靜態(tài)電流和關(guān)斷電流在電池供電型應(yīng)用中越來越重要，如可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)模塊，它們對電池壽命和運(yùn)行時間有很大影響。

過流保護(hù)

負(fù)載開關(guān)的過流保護(hù)功能不僅僅是為了保護(hù)明確的故障，如負(fù)載處的臨時或永久短路。也可能需要緩解輸出電壓下降的結(jié)果，在某些情況下，當(dāng)一個電源軌為幾個負(fù)載供電時，就會出現(xiàn)輸出電壓下降，并且一個負(fù)載的開啟速度會更快（圖 3）。電流需求的突然增加會導(dǎo)致電源的輸出瞬間下降到其額定值以下。這個延遲或恢復(fù)期是由電源的負(fù)載瞬態(tài)性能和負(fù)載的具體情況決定的。

圖 3：一個負(fù)載開關(guān)可以給多個負(fù)載供電，這些負(fù)載可能不會同時啟動和開通。（圖片來源：Toshiba）

反過來，這種下降可能導(dǎo)致第二個負(fù)載不能正常啟動或行為不正常。由于這些原因，負(fù)載開關(guān)的限流功能是有用的，因?yàn)樗梢跃徍偷谝回?fù)載對電流需求增加所引起的輸出電壓下降。

許多系統(tǒng)需要確保其多個負(fù)載以特定的順序通電，并在每個電源軌進(jìn)入活動狀態(tài)之間有確定的時間。在這些情況下，可以在 PMIC 控制下使用多個負(fù)載開關(guān)，管理它們的順序和相對時間（圖 4）。

圖 4：通過使用多個負(fù)載開關(guān)，可以根據(jù)需要控制各種負(fù)載的開啟順序和時間，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。（圖片來源：Bill Schweber）

反向電流阻斷

負(fù)載開關(guān)的反向電流阻斷正如其名稱所述的那樣：當(dāng)輸出側(cè)的電壓高于輸入側(cè)時，它可以防止電流反向流動。

這可能是由于兩種常見的情況造成的。首先，由于斷開的電纜意外擦到了電池端子，甚至在重新連接時出錯，電源（如汽車電池）可能無意中被接反了。它甚至可能是像普通用戶把電池插反了這樣的基本錯誤。

第二種情況有些不太明顯?？紤]兩個不同電壓的電源被復(fù)用到一個負(fù)載上的情況（圖 5）。共享輸出側(cè)的電壓可以變得比低電壓電源輸入側(cè)的電壓高。在這種情況下，電流可以從高電壓側(cè)流向低電壓側(cè)，從而損壞低電壓源。

圖 5：即使復(fù)用電源通過自己的負(fù)載開關(guān)連接，也會出現(xiàn)反向電流的問題。（圖片來源：Toshiba）

有三種方法來處理反向電流阻斷問題：

最簡單的方法是在輸出端串聯(lián)一個二極管。但是二極管上的電壓降（標(biāo)準(zhǔn)硅二極管為 0.6 伏至 0.8 伏）降低了供電軌電壓，而且二極管必須有足夠的額定功率來耗散相應(yīng)的熱量。

第二種方法是使用一個 MOSFET 與電源軌串聯(lián)，但其導(dǎo)通電阻 (RON) 也會導(dǎo)致電壓降，而且其熱耗散要求必須得到滿足。

第三種選擇是使用具有反向電流阻斷功能的負(fù)載開關(guān)，它可以實(shí)現(xiàn)所需的防倒流對策，而不需要進(jìn)行折衷。

放電功能

通常情況下，當(dāng)電源多路復(fù)用器關(guān)閉時，自動放電功能會連接 VOUT 和 GND。擁有這種快速輸出放電功能有很多好處：

輸出不是浮動的，總是處于一個已知的狀態(tài)。

下游模塊總被完全關(guān)閉。

然而，在有些情況下，快速輸出放電是不可取的。

如果負(fù)載開關(guān)的輸出連接到電池上，當(dāng)負(fù)載開關(guān)通過 ON 引腳被禁用時，快速的輸出放電會導(dǎo)致電池耗盡。

如果在一個兩輸入、一輸出的多路復(fù)用器中使用兩個負(fù)載開關(guān)（輸出被綁在一起），那么通過快速輸出放電就會不斷地浪費(fèi)功率，因?yàn)橹灰?fù)載開關(guān)通過 ON 引腳被禁用，電流就會流經(jīng)內(nèi)部電阻到地。

因此，在配置功率復(fù)用器與負(fù)載開關(guān) IC 時，有必要選擇不具備放電功能的負(fù)載開關(guān)。這時就需要一個稱為真正反向電流阻斷的負(fù)載開關(guān)功能。它可以防止從輸出端流向輸入端的反向電流，而不管負(fù)載開關(guān)的 ON/OFF 狀態(tài)如何。

具有這種功能的負(fù)載開關(guān)將輸入電壓 VIN 與 IC 中的輸出電壓 VOUT 進(jìn)行比較，當(dāng) VOUT>VIN 時，防倒流電路啟動（圖 6）。

圖 6：真正的反向電流阻斷可以防止電流從輸出端流向輸入端，無論負(fù)載開關(guān)是 ON 還是 OFF。（圖片來源：Toshiba）

與真正的反向電流阻斷和自動放電功能相關(guān)的微妙之處還有更多；在 Toshiba 應(yīng)用說明“負(fù)載開關(guān) IC 的過流保護(hù)功能和反向電流防止功能”中對這些微妙之處進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。

新型 IC 針對高增長應(yīng)用

負(fù)載開關(guān)并不新鮮，但它們越來越多地要根據(jù)特定應(yīng)用的要求來進(jìn)行定制。Toshiba TCK12xBG 系列下一代負(fù)載開關(guān)明確地證明了這一點(diǎn)，該系列包括三個器件：TCK126BG、TCK127BG 和 TCK128BG（圖 7）。

圖 7：TCK12xBG 系列器件內(nèi)部框圖顯示了其功能的簡單性；圖中所示為 TCK128BG。（圖片來源：Toshiba）

這三個 IC 的額定工作電壓為 1.0 至 5.5 伏，電流為1 A，它們非常相似，但有些地方稍有不同，以便其以最佳方式匹配特定應(yīng)用的優(yōu)先順序和需求。它們的許多規(guī)格都優(yōu)于其前代產(chǎn)品和現(xiàn)有的競爭設(shè)備。

最突出的是靜態(tài)電流 (IQ) 的減少，從 110 納安 (nA) 降至僅 0.8 nA，減少了 99.9%，提升超過兩個數(shù)量級。此外，待機(jī)電流僅為 13 nA。典型導(dǎo)通電阻 RON 在 5.0 伏時為 46 mΩ，3.3 伏時為 58 mΩ，1.8 伏時為 106 mΩ，1.2 伏時為 210 mΩ。

這些負(fù)載開關(guān)的其他屬性均實(shí)現(xiàn)了電氣規(guī)格超越。它們也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 Toshiba 和其他供應(yīng)商提供的相同電壓/電流等級的其他可用器件。它們采用四引線 WCSP4G 封裝，尺寸為 0.645 × 0.645 × 0.465 mm，焊球間距為 0.35 mm。這意味著相比前代間距為 0.4 mm 的 0.79 × 0.79 × 0.55 mm 封裝，該負(fù)載開關(guān)減少了 34% 空間需要（圖 8）。

圖 8：與其前代產(chǎn)品相比，TCK12xBG 器件的尺寸較小，所需的電路板空間減少了 34%。（圖片來源：Toshiba，作者有修改）

這種小尺寸為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了很大電路板空間，而這一點(diǎn)對于可穿戴設(shè)備等超小型應(yīng)用來說至關(guān)重要。此外，該封裝有一個 25 微米 (μm) 的背面涂層，可以減少物理沖擊和損壞，防止崩裂。

該系列中的三個負(fù)載開關(guān)具有內(nèi)置壓擺率控制驅(qū)動器，在 3.3 伏時上升時間為 363 微秒 (μs)。這些開關(guān)之間的區(qū)別在于是否有快速輸出放電功能，以及 ON/OFF 引腳的有效狀態(tài)（圖 9）。

　　零件編號制線是高電平有效還是低電平有效方面有所不同。（圖片來源：Toshiba）

結(jié)語

如果設(shè)計(jì)人員要滿足小型電池供電型設(shè)備（如可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)）以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對低能耗、小尺寸和低成本的需求，具有高度集成功能的負(fù)載開關(guān)就顯得至關(guān)重要。如上所述，Toshiba 的 TCK12xBG 系列負(fù)載開關(guān)具有靜態(tài)電流低和尺寸更小的優(yōu)勢，帶有滿足功能和保護(hù)要求的集成元件，并簡化了設(shè)計(jì)。