電源中的負(fù)載管理與負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電源中的負(fù)載管理與負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　前言

　　近年來(lái)，很多、纖巧型便攜式電子產(chǎn)品被開發(fā)出來(lái)，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3、MP4、PDA、GPS及DVD等。它們不僅體積小、重量輕、功能多，并且充電的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，即產(chǎn)品省電，從而延長(zhǎng)了電池的壽命。

　　為延長(zhǎng)產(chǎn)品充電的時(shí)間間隔，設(shè)計(jì)者采用了很多辦法：采用單位體積、單位重量的電池容量最大的鋰離子電池或鋰聚合物電池，并且增加了電池的容量；在電路設(shè)計(jì)上采用節(jié)省電能的電路；在元器件選擇上采用高效率的低功耗或微功耗產(chǎn)品或用專用集成電路以減少功率損耗；而最重要的措施是產(chǎn)品在不同的工作狀態(tài)時(shí)，為有用的電路供電，而將暫時(shí)不用的電路斷電，這樣可最大限度地省電，這就是采用負(fù)載管理。

　　電源給各個(gè)電路供電，各個(gè)電路就是電源的"負(fù)載"。例如發(fā)射電路及接收電路是電源的負(fù)載，功率放大電路也是電源的負(fù)載。另外，電源的負(fù)載還包括一些器件（如LED）或一些其他產(chǎn)品（如硬盤、直流電動(dòng)機(jī)等）。多功能的便攜式電子產(chǎn)品有很多功能電路組成，隨著工作電壓的不同，對(duì)電源的要求也不相同，因此有多個(gè)電源。要實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理并不容易，現(xiàn)代的負(fù)載管理是由微處理器、電源管理IC及負(fù)載開關(guān)組成。

　　電源管理IC組成的負(fù)載管理

　　微處理器通過控制電源的工作來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理，如圖1所示，圖1中有N個(gè)電源，每個(gè)電源帶一個(gè)負(fù)載（有N個(gè)負(fù)載）。每一個(gè)電源都有一個(gè)使能端（EN，高電平有效）或關(guān)閉電源控制端（SHDN，低電平有效），微處理器的I/O口與電源的EN端或SHDN端連接，輸出邏輯電平來(lái)控制電源的開通或關(guān)斷，這樣就可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。例如，某產(chǎn)品有6個(gè)電源，在某種工作狀態(tài)時(shí)，需要電源1~3開通，則負(fù)載1~3得電工作，電源4~6關(guān)斷，負(fù)載4~6失電不工作，只要在電源1~3的EN端加邏輯高電平，在電源4~6的EN端加低電平即可。

　　圖2是TI公司的一種電源管理IC（TPS65021）的功能結(jié)構(gòu)示意圖。它由1節(jié)鋰離子電池供電，由微處理器通過I2C與器件接口。TPS65021內(nèi)部有控制功能電路及6個(gè)電源（3個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，3個(gè)線性穩(wěn)壓器LDO，輸出V1-V6電壓）。它可以給手機(jī)供電及實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。

　　數(shù)碼相機(jī)中有三種電源：系統(tǒng)電源、LCD電源以及白光LED驅(qū)動(dòng)電源（背光照明及閃光燈電源）。系統(tǒng)電源部分由4個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，如圖3所示。它分別給CCD攝像頭、I/F接口電路、CPU的核及伸縮鏡頭的電動(dòng)機(jī)供電，通過微處理器可做負(fù)載管理，微處理器也可以根據(jù)工作狀態(tài)要求來(lái)控制LCD背光亮度及閃光燈驅(qū)動(dòng)電路。

　　負(fù)載開關(guān)IC組成的負(fù)載管理

　　負(fù)載管理也可以由微處理器與多個(gè)負(fù)載開關(guān)組成。負(fù)載開關(guān)是一種功率電子開關(guān)，其基本工作原理如圖4-a)所示，它由兩個(gè)MOSFET（Q1：P-MOSFET及Q2：N-MOSFET）及一個(gè)電阻R組成。其工作原理是：在ON/OFF端加高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通；Q2導(dǎo)通時(shí)將Q1的柵極拉到接近地電平，若其IN接電源電壓VIN，則Q1的源極與柵極之間的-VGS≈VIN，則Q1相繼導(dǎo)通，電源電壓可經(jīng)過負(fù)載開關(guān)給負(fù)載供電；若在ON/OFF端加低電平，則Q2截止；Q1的柵極及源極由電阻R連接，使柵極與源極同電位，即-VGS=0V，Q1截止，電源被切斷，負(fù)載失電。負(fù)載開關(guān)的等效電路如4-b）所示。

　　由微處理器及N個(gè)負(fù)載開關(guān)及N個(gè)負(fù)載組成的負(fù)載管理結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。各個(gè)負(fù)載開關(guān)接在電源與負(fù)載之間，其ON/OFF端與微處理器的I/O口連接。在不同的工作狀態(tài)時(shí)，由微處理器給各個(gè)負(fù)載開關(guān)的ON/OFF端輸出邏輯電平；輸入高電平的負(fù)載得電，輸入低電平的負(fù)載失電。采用這種方案也能實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理，主要用于一個(gè)電源帶多個(gè)負(fù)載的產(chǎn)品中。

　　電源管理IC及負(fù)載開關(guān)組成的結(jié)構(gòu)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，往往由于電路復(fù)雜而采用電源管理IC及多個(gè)負(fù)載開關(guān)組成的負(fù)載管理系統(tǒng)，如圖6所示。圖6中有3個(gè)電源，輸出不同的電壓。電源1給負(fù)載1~3供電。為了控制負(fù)載1~3的通電或失電，在電源與負(fù)載之間設(shè)了3個(gè)負(fù)載開關(guān)。電源2、電源3則由電源管理IC來(lái)控制其負(fù)載的通電或失電。

　新型負(fù)載開關(guān)的特點(diǎn)

　　近年來(lái)，隨著便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，各種先進(jìn)的、多功能的（有的公司稱它為"全能的"或"智能的"）負(fù)載開關(guān)出現(xiàn)了。歸納起來(lái)，這些用于負(fù)載管理的負(fù)載開關(guān)具有下述特點(diǎn)：

　　增加保護(hù)功能

　　負(fù)載開關(guān)是功率器件，大多數(shù)器件有過熱關(guān)閉保護(hù)，有的負(fù)載開關(guān)內(nèi)部設(shè)有輸出電流限制電路（限制電流是固定的）或限制電流可設(shè)定的品種，可保證負(fù)載不過載受損，保證系統(tǒng)安全工作。另外，一般負(fù)載開關(guān)都設(shè)有輸入電壓過低時(shí)，輸出鎖存（UVLO）；有故障時(shí)給微處理器輸出故障信號(hào)。

　　提高性能

　　提高性能包括：減小導(dǎo)通電阻RDS（on），以減少損耗，目前可做到RDS（on）=30MΩ左右；降低靜態(tài)電流IQ，IQ最小的僅25nA；為防止開關(guān)導(dǎo)通瞬間有較大的沖擊電流，設(shè)有軟啟動(dòng)（有的負(fù)載開關(guān)有多種啟動(dòng)時(shí)間供用戶選擇或由用戶根據(jù)負(fù)載情況自行設(shè)定）；負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時(shí)增加了放電電路，加速關(guān)斷時(shí)間；有負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時(shí)防止產(chǎn)生反向電流（由OUT端流向IN端，可將開關(guān)管中的二極管去掉）；降低工作電壓以滿足供CPU核的需要，最低工作電壓為0.8V，工作電范圍寬，有的為1.2~5.5V，也有的為3~13.5V，以滿足不同工作電壓的需要；電流范圍為1~6A，可滿足各種便攜式的需要。

　　封裝尺寸小

　　為滿足便攜式體積小的要求，負(fù)載開關(guān)一般采用SOT-23封裝、2mm×2mm MLP或MLF封裝、SC-70封裝，最小的采用6焊球BGA封裝，其尺寸為1.5mm×1.0mm。

　　這里簡(jiǎn)單地介紹幾種較典型的負(fù)載開關(guān)。

　　典型便攜式負(fù)載開關(guān)

　　封裝最小的負(fù)載開關(guān)FPF1003/4

　　FPF1003/4是飛兆公司于2007年4月推出的負(fù)載管理器件。其主要特點(diǎn)為：輸入電壓范圍1.2～5.5V；導(dǎo)通電阻RDS（on），在VIN=5.5V時(shí)為30MΩ，靜態(tài)電流IQ≤1μA；FPF1004內(nèi)部關(guān)斷時(shí)有放電電路，關(guān)斷時(shí)間為10μs；最大連續(xù)開關(guān)電流為2A；工作溫度范圍為-40℃~+85℃，小尺寸6焊球BGA封裝（1.5×1.0mm2）；開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，有電壓上升率控制。

　　該負(fù)載開關(guān)適用于現(xiàn)代超小型便攜式電子產(chǎn)品，如PDA、手機(jī)、GPS、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)等。

　　該器件典型應(yīng)用電路如圖7所示，輸入電容一般為1μF，輸出電容為0.1μF（都采用多層陶瓷電容器）。如在ON端加邏輯高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通（VIN=1.2V時(shí)，VIH≥0.8V；VIN=2.7~5.5V時(shí)，VIH≥2V）；ON端加邏輯低電平時(shí)，開關(guān)關(guān)斷（VIN=1.2V時(shí)，VIL≤0.35V；VIN=2.7V~5.5V時(shí)，VIL≤0.8V）。RDS（on）與VIN有關(guān)：VIN=5.5V時(shí)，RDS（on）≤30MΩ；VIN=1.2V時(shí)，RDS（on）≤150MΩ。

　　該器件最大的亮點(diǎn)是在這樣小的封裝時(shí)可連續(xù)供電2A，并且可工作于1.2V低壓，其不足之處是尺寸太小，無(wú)法再集成過熱關(guān)閉等保護(hù)電路。

　　負(fù)載開關(guān)FPF2163/4/5系統(tǒng)

　　FPF2163/4/5系列是飛兆公司于2007年7月推出的輸出電流可設(shè)定的多功能負(fù)載開關(guān)。該系列主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍為1.8~5.5V；可設(shè)定限制電流的范圍為0.15~1.5A；輸入電壓低于閾值電壓時(shí)，輸出鎖存（UVLO）；有過熱關(guān)閉保護(hù)；開關(guān)關(guān)斷時(shí)耗電小于2μA；靜態(tài)電流小于7.7μA；過流后輸出限制電流（恒流）的響應(yīng)快：中等的過流時(shí)響時(shí)間為5μS；短路時(shí)為30nS；發(fā)生欠壓鎖存、過熱及過流故障時(shí)，輸出閉鎖，并有故障信號(hào)輸出；開關(guān)關(guān)斷時(shí)無(wú)反向電流，2×2mm2微FET-6封裝。

　　該系列FPF2163、FPF2164、FPF2165在功能上有一些差別，如表1所示。

　　該系列負(fù)載開關(guān)除了用于PDA、手機(jī)、GPS、MP3播放機(jī)、數(shù)碼相機(jī)這類便攜式電子產(chǎn)品外，由于有限流設(shè)定的功能（具有功率分配功能），也可用于外設(shè)端口及熱插拔電源中。FPF2164還可以用作"電子保險(xiǎn)絲"。

　　FPF2163/4/5的引腳排列如圖8所示。

　　限制電流ILIM的設(shè)定與RSET有關(guān)，其關(guān)系式為：RSET=275.6/ILIM。式中RSET的單位為歐姆，ILIM的單位為安培。設(shè)定的限制電流有一定的允差，如表2所示。

　　FPF2163/4/5系列負(fù)載開關(guān)的封裝尺寸?。?mm×2mm）、功能齊全，是一種較好的負(fù)載管理系統(tǒng)用的器件。