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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(gè)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(shí)，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。


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(gè)基本模塊。可以包含更多模塊以向負(fù)載開關(guān)添加功能。


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(jì)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(shí)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?yàn)闁艠O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(gè)連接VOUT 到GND 的片上電阻，當(dāng)通過ON 引腳禁用器件時(shí)，該電阻導(dǎo)通。這將對輸出節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)流向ON 引腳的電流量。

●下拉電阻(RPD) – 這是禁用器件時(shí)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(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器或LDO。使用負(fù)載開關(guān)后，可通過對各個(gè)負(fù)載的控制在不同負(fù)載間進(jìn)行配電。


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(shí)序。通過使用GPIO 或I2C 接口，負(fù)載開關(guān)成為可實(shí)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(gè)電源路徑的獨(dú)立控制，從而簡化上電排序的負(fù)載點(diǎn)控制，如圖4 所示。


2.3 降低漏電流

在許多設(shè)計(jì)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(shí)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。


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(jī)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)間來消除輸入電壓的下陷，從而解決此問題（圖7）。


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(shí)，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?yàn)橄掠文K并未在斷電后到達(dá)指定狀態(tài)。