【導(dǎo)讀】集成負(fù)載開關(guān)是可用于開啟和關(guān)閉系統(tǒng)中的電源軌的電子繼電器。負(fù)載開關(guān)為系統(tǒng)帶來許多其它優(yōu)勢，并且集成通常難以用分立元件實現(xiàn)的保護(hù)功能。負(fù)載開關(guān)可用于多種不同的應(yīng)用，包括但不限于：配電、上電排序和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換、減小待機模式下的漏電流、浪涌電流控制、斷電控制等。
1 什么是負(fù)載開關(guān)？
集成負(fù)載開關(guān)是可用于開啟和關(guān)閉電源軌的集成電子繼電器。大部分基本負(fù)載開關(guān)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(dāng)通過ON 引腳使能器件時，導(dǎo)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(guī)負(fù)載開關(guān)電路圖
1.1 常規(guī)負(fù)載開關(guān)框圖
了解負(fù)載開關(guān)的架構(gòu)對于確定負(fù)載開關(guān)的規(guī)范很有幫助。圖2所示為基本負(fù)載開關(guān)的框圖，該負(fù)載開關(guān)包括五個基本模塊。可以包含更多模塊以向負(fù)載開關(guān)添加功能。
圖2. 常規(guī)負(fù)載開關(guān)框圖
1. 導(dǎo)通FET 是負(fù)載開關(guān)的主要元件，它決定了負(fù)載開關(guān)可處理的最大輸入電壓和最大負(fù)載電流。負(fù)載開關(guān)的導(dǎo)通電阻是導(dǎo)通FET 的特性，將用于計算負(fù)載開關(guān)的功耗。導(dǎo)通FET 既可以是N 溝道FET，也可以是P 溝道FET，這將決定負(fù)載開關(guān)的架構(gòu)。
2. 柵極驅(qū)動器以控制方式對FET 的柵極進(jìn)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(qū)動。它控制了導(dǎo)通FET 和其它模塊（如快速輸出放電模塊、充電泵和帶保護(hù)功能的模塊）的接通和關(guān)斷。
4. 并非所有負(fù)載開關(guān)中均包含電荷泵。電荷泵用于帶有N 溝道FET 的負(fù)載開關(guān)，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(dāng)通過ON 引腳禁用器件時，該電阻導(dǎo)通。這將對輸出節(jié)點進(jìn)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(dāng)VIN 和VBIAS處于工作范圍內(nèi)時，此功能才有效。
6. 不同的負(fù)載開關(guān)中還包括其它功能。這些功能包括但不限于熱關(guān)斷、限流和反向電流保護(hù)。
1.2 負(fù)載開關(guān)的常見數(shù)據(jù)表參數(shù)和定義
●輸入電壓范圍(VIN) – 這是負(fù)載開關(guān)可支持的輸入電壓范圍。
●偏置電壓范圍(VBIAS) – 這是負(fù)載開關(guān)可支持的偏置電壓范圍。為負(fù)載開關(guān)的內(nèi)部模塊供電可能需要此參數(shù)，具體取決于負(fù)載開關(guān)的架構(gòu)。
●最大連續(xù)電流(IMAX) – 這是負(fù)載開關(guān)可支持的最大連續(xù)直流電流。
●導(dǎo)通狀態(tài)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(nèi)部導(dǎo)通FET 的電阻。
●靜態(tài)電流(IQ) – 這是為器件的內(nèi)部模塊供電所需的電流量，以VOUT 上沒有任何負(fù)載時流入VIN 引腳的電流為測量值。
●關(guān)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(fù)載開關(guān)獲得好處的應(yīng)用。
2 為什么需要負(fù)載開關(guān)
本部分將概述一些可以通過使用負(fù)載開關(guān)獲得好處的應(yīng)用。
2.1 配電
許多系統(tǒng)對子系統(tǒng)配電的控制有限。如圖3 所示，可使用負(fù)載開關(guān)來接通和關(guān)斷輸入電壓相同的子系統(tǒng)，而不使用多個DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO。使用負(fù)載開關(guān)后，可通過對各個負(fù)載的控制在不同負(fù)載間進(jìn)行配電。
圖3. 配電框圖
2.2 上電排序和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換
在某些系統(tǒng)（尤其是帶有處理器的系統(tǒng)）中，必須遵循嚴(yán)格的上電時序。通過使用GPIO 或I2C 接口，負(fù)載開關(guān)成為可實現(xiàn)滿足上電要求的上電排序的簡單解決方案。負(fù)載開關(guān)可提供每個電源路徑的獨立控制，從而簡化上電排序的負(fù)載點控制，如圖4 所示。
圖4. 使用負(fù)載開關(guān)的上電排序
2.3 降低漏電流
在許多設(shè)計中，存在只在特定工作模式期間使用的子系統(tǒng)。可以使用負(fù)載開關(guān)關(guān)閉這些子系統(tǒng)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(fù)載開關(guān)時的漏電流對比情況。有關(guān)詳細(xì)信息，請參見輸入和輸出電容部分。
圖5. 使用和不使用負(fù)載開關(guān)時的漏電流對比情況
在一些應(yīng)用中，可禁用電路（如DC/DC轉(zhuǎn)換器、LDO 和模塊）并將其置于待機模式。但即使是處于關(guān)斷狀態(tài)，這些模塊的漏電流也相對較高。如上圖所示，在負(fù)載前面放置一個負(fù)載開關(guān)可顯著減小漏電流。因此，在電源路徑中放置一個負(fù)載開關(guān)可大幅降低功耗。
2.4 浪涌電流控制
在沒有任何轉(zhuǎn)換率控制的情況下開啟子系統(tǒng)時，可能會由于負(fù)載電容快速充電產(chǎn)生浪涌電流而導(dǎo)致輸入軌下陷。由于此輸入軌可能正在為其它子系統(tǒng)供電，因此這會引發(fā)問題（圖6）。負(fù)載開關(guān)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(dǎo)致電源電壓突降的浪涌電流
圖7. 使用負(fù)載開關(guān)的轉(zhuǎn)換率控制
2.5 斷電控制
當(dāng)不帶快速輸出放電功能的DC/DC 轉(zhuǎn)換器或LDO 關(guān)閉時，負(fù)載電壓保持浮空，斷電取決于負(fù)載，如圖8所示。這可能導(dǎo)致出現(xiàn)預(yù)想外的動作，因為下游模塊并未在斷電后到達(dá)指定狀態(tài)。
圖8. 未使用負(fù)載開關(guān)時的不受控斷電
使用帶快速輸出放電功能的負(fù)載開關(guān)可緩解這些問題。負(fù)載將以受控方式快速斷電，并將復(fù)位為已知的良好狀態(tài)以備下次上電，如圖9 所示。這將消除負(fù)載上的任何浮空電壓并確保其始終處于定義的電源狀態(tài)。
圖9. 使用負(fù)載開關(guān)時的受控斷電
2.6 保護(hù)特性
某些應(yīng)用可能需要負(fù)載開關(guān)中集成故障保護(hù)功能。一些負(fù)載開關(guān)包括反向電流保護(hù)、ON 引腳滯后、限流、欠壓鎖定和過熱保護(hù)等集成功能。與通過離散元件實現(xiàn)這些復(fù)雜電路不同，使用集成負(fù)載開關(guān)可減少物料清單數(shù)量、減小解決方案尺寸并縮短開發(fā)時間。下面簡要介紹了其中一些功能：
●反向電流保護(hù)功能將阻止電流從VOUT 引腳流向VIN 引腳。如果沒有此功能，當(dāng)二極管壓降導(dǎo)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(yīng)用獲益，如電流不應(yīng)從VOUT 流向VIN 的電源多路復(fù)用器應(yīng)用。有許多不同的方法可實現(xiàn)反向電流保護(hù)。在某些情況下，器件（如TPS22912）將監(jiān)視VIN 引腳和VOUT 引腳上的電壓。當(dāng)此差分電壓超出特定閾值時，開關(guān)將被禁用，同時體二極管斷開以防止出現(xiàn)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(hù)功能。
●ON 引腳滯后功能可使GPIO 使能更穩(wěn)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(xiàn)噪聲，控制電路也將按預(yù)期工作。圖10 說明了ON 引腳滯后如何為GPIO 使能線提供穩(wěn)定性。
●限流功能將限制負(fù)載開關(guān)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(tǒng)停止工作。在限流模式下，負(fù)載開關(guān)提供連續(xù)電流，直至開關(guān)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(guān)閉器件，以確保下游電路不會因為供電電壓低于預(yù)期值而損壞。
●過熱保護(hù)功能可在器件溫度超出閾值溫度時禁用開關(guān)。憑借此功能，器件可用作在檢測到高溫時關(guān)斷的安全開關(guān)。
圖10. ON 引腳滯后
2.7 減少BOM 數(shù)量和PCB 面積
使用集成負(fù)載開關(guān)可減少系統(tǒng)的BOM數(shù)量。如果有離散FET與其它元件配合使用，則可以考慮使用負(fù)載開關(guān)來減少系統(tǒng)中的元件總數(shù)。分離創(chuàng)建負(fù)載開關(guān)時，將需要多個電阻、電容和晶體管來實現(xiàn)柵極驅(qū)動器、控制邏輯、輸出放電和保護(hù)功能。而采用集成負(fù)載開關(guān)，只需單個器件便可實現(xiàn)全部功能，從而顯著降低BOM數(shù)量。
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