教你巧用IC负载开关的特性来安全地降低功耗

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为了最大限度地降低功耗，一个简单的MOSFET通常用于为未使用的电路提供电源。然而，更好的选择是使用负载开关，因为它具有额外的功能来处理电源轨管理的许多微妙和变幻莫测的问题。


负载开关提供一系列来自多个供应商的性能参数和额定值，这使得应用优先级和可用部件之间的配合良好。


本文将简要讨论IC和电路关断概念，然后介绍合适的负载开关选项以及如何使用它们。

掉电选项
通过暂时关闭不需要的功能来最小化功耗是标准的系统策略。出于这个原因，许多IC具有用户导向的超低功耗静态模式。

然而，将IC置于静态模式只会关闭IC而不是关联电路，其中包括其他功耗耗散无源器件（主要是电阻器）以及有源分立器件，如晶体管。因此，设计人员常常转向使用简单的MOSFET来关闭整个子部分的电源。

即使通过使能控制线可关闭电源（LDO或开关）以降低其负载子电路的空闲模式功耗，也可能需要此MOSFET。原因在于，虽然节省可能很大，但即使在关机模式下，许多电源的泄漏电流也相对较大，因此节电可能不够。

虽然使用适当大小的MOSFET作为电源导轨开关开关确实可行，但MOSFET单独提供的功能和功能很少，并且通常无法支持其他开/关切换要求。此外，电路设计人员必须为MOSFET提供合适的栅极驱动器，这成为“待办事项”列表中的另一项内容，因此增加了设计复杂性，时间，空间和成本。

负载开关提供了“一体式”解决方案

一种更好的方法是使用“负载开关”IC，这是一种通路元件MOSFET，并在小型封装中增加了额外的电源管理功能。大多数负载开关只有4个引脚，每个引脚有一个用于输入电压，输出电压，逻辑电平使能和接地（图1）。



图1：基本负载是一个四端器件，它将MOSFET和MOSFET驱动器集成在一个易于使用的封装中。（图片来源：德州仪器）

操作非常简单：当负载开关通过ON引脚启用时，通路FET导通，并允许电流从输入（源）电压引脚流向输出（负载）电压引脚。与基本MOSFET一样，通过“开关”的直流电阻仅为几毫欧（mΩ），所以电压降低，相关的功耗也是如此。

负载开关不仅仅是一个MOSFET和一个驱动器，它可以通过简单的逻辑电平信号来开启/关闭。尽管单独使用这种功能可能会使负载开关比采用单独驱动器的MOSFET更好，但负载开关的功能更多（图2）。



图2：负载开关通常具有其他功能，包括放电控制，摆率控制，各种形式的保护和故障监视。（图片来源：vishay Siliconix）
除了逻辑电平控制功能外，为什么还要使用负载开关？有几个原因：


整体驱动器管理对门极的充电和放电，从而提供MOSFET导通/关断周期上升/下降时间的转换速率控制。这可以优化MOSFET性能，避免过冲和振铃，并将不合需要的EMI / RFI降至最低。

此外，通过控制开关中MOSFET的导通时间，可以防止由于快速尝试对负载电容充电导致的突入电流的突然增加而导致输入电压轨下垂。如果相同的输入轨还为其他必须保持充分供电的子系统供电，则此问题会出现问题。

一些负载开关通过输出和地之间的片上电阻提供快速输出放电（QOD）功能; 当器件通过ON引脚禁用时，该模式被激活。这会使输出节点放电，并防止输出浮空，这会在负载电路未关闭到定义状态时导致不需要的活动。

请注意，此功能有时不受欢迎：如果负载开关的输出连接到电池，当通过ON引脚禁用负载开关时，这种快速输出放电会导致电池耗尽 - 这不是好事！因此，一些供应商将其作为单个设备中的可选功能提供，而另一些供应商提供两种负载开关的变体，一种具有它，另一种不具备。前一种选项允许将多个相同部件用于单个产品，但在不同情况下使用。

负载开关可以包含其他功能，例如热关断，欠压闭锁，电流限制和反向电流保护等，这些功能都可以在电源和导轨上使用。这些保护功能有助于系统级完整性。

与开始使用基本MOSFET来切换电源轨并增加这些功能相比，整体BOM，设计时间和房地产成本可以大大降低。

进一步来说，负载开关的使用并不局限于简单的关闭以节省电力。通过使用一组负载开关，单个较大的电源可以为多个电路子部分供电，这些子部分的上/下功率通过多个数字输出控制下的规定序列和时序实现（图3）。以这种方式，负载开关充当更广泛和有效的电源管理控制方案的门控元件。



图3：负载开关允许单电源驱动多个负载，每个负载都具有独立的开启/关闭和相对定时。（图片来源：德州仪器）

请记住，负载开关在其输入侧需要一个电容（通常为1微法（μF）），以限制由流入放电负载电容的瞬态涌入电流引起的输入电源电压降。他们还需要“看到”一个约为输入电容值十分之一的负载电容; 如果负载小于这个值，应该增加一个小的输出电容。

加载开关参数
负载开关的性能属性从用作开/关开关的标准FET开始。这些包括：

导通电阻（R on）决定负载开关两端的电压降以及开关的功耗。典型值在几十毫欧范围内，但会随个别供应商产品和负载开关电流容量而变化。设计者必须做一些基本的计算来确定应用程序中的最大允许值。

最大电压（V in）和电流（I max）额定值指定了开关可承受的电压有多高以及最大电流有多大。设计师应该检查稳态值以及这些因素的瞬态和峰值。

其他参数是静态电流和关断电流。静态电流是负载开关导通时负载开关所消耗的电流，因此成为浪费的功率。与负载本身消耗的功率相比，这可以忽略不计。关断电流是当开关处于关断模式时从负载开关“泄漏”到负载的电流。

负载切换从简单到复杂
用额外的功能的负载开关的一个很好的例子是NCP330从安森美半导体。这是一个基本的N沟道MOSFET负载开关，但它包括一个2毫秒的软启动模式，用于突发负载的应用可能有害的情况。在有电池容量有限的移动应用中，这通常是必需的（图4）。



图4：安森美半导体的NCP330负载开关包含一个2毫秒的回转模式，因此负载不会突然连接到电源。这可以防止供应和负载的各种操作和性能问题。（图片来源：安森美半导体）

NCP330的导通电阻非常低，只有30mΩ，因此非常适合用于以3安培（A）（5 A峰值）充电的系统电池。如果电源连接到Vin引脚（高电平有效），则1.8 V至5.5 V器件将自动启用。如果没有输入电压，它通过一个内部下拉电阻保持关闭状态。还内置反向电压保护。

Vishay Siliconix提供Sip32408和SiP32409摆率控制负载开关（2.5 V 3.6 V时），设计用于1.1 V至5.5 V的操作。SIP32409与SiP32408相同，但具有快速关断输出放电电路。其中一个关键特性是其导通电阻（通常为42mΩ）在1.5至5伏的大部分电源范围内保持平坦。另一个属性是控制使能电压也很低，所以它可以用在低电压电路中而不需要电平转换器（图5）。



图5：来自Vishay Siliconix的SiP32408和类似SiP32409负载开关的控制使能信号低和高逻辑电平阈值与输入电压之间的关系。（图片来源：Vishay Siliconix）

虽然负载开关在封装引脚的数量和功能方面是相对简单的器件，但是当电流流动和可能的寄生效应时，布局仍然是个问题。出于这个原因，最好使用公司建议的印刷电路板布局（图6）以及1×1英寸（2.5×2.5厘米）评估板的顶部和底部布局（图7）。



图6：需要仔细规划印刷电路板布局和元件布局，以实现负载开关（如SiP32408和SiP32409）的全部性能，以便地噪声，寄生效应和电流不会影响最大性能。（图片来源：Vishay Siliconix）



图7：除了展示SiP32408和SiP32409的首选印制电路板布局外，Vishay Siliconix还为这些器件的小型评估板提供布局。（图片来源：Vishay Siliconix）

在越来越常见的较低电压下使用的负载开关是德州仪器（Texas Instruments ）的TPS22970，它可以在低至0.65 V至3.6 V的输入电压下工作（图8）。导通电阻也很低，从1.8 V输入典型4.7mΩ，在0.65 V时略微上升到6.4mΩ。该开关处理4 A的连续电流，通态静态电流为30μA（典型值）输入电压为1.2 V，输入电压高于1.8 V时的关断状态电流为1μA。



图8：TPS22970的基本应用显示了临界输入（源）电容和有时不必要的输出（负载）电容; 它还清楚地表明负载开关是简单的四端设备。（图片来源：德州仪器）

TPS22970具有150Ω的片内电阻，可在开关禁用时快速放电输出。这可以避免由负载看到浮动电源引起的任何未知状态。在输入电压分别为3.6伏和0.65伏时，摆率控制的开启时间分别为1.5毫秒（ms）和0.8毫秒。全面的数据表（长达25页，用于四端设备）包含许多详细的表格和图表，可以从各种角度全面表征其性能。例如，它显示了四个输入电压中每一个的上升和下降时间与温度的关系（图9）。



图9：TPS22970的负载电阻为10Ω，负载电容为0.1μF时的上升时间（左）和下降时间（右）与温度的关系。（图片来源：德州仪器）

结论
MOSFET本身可以提供一个简单的解决方案来打开和关闭DC，以最大限度地降低功耗，实现多个负载的排序以及控制电源时序。但是，集成了MOSFET，驱动器，摆率控制和各种形式的故障保护的负载开关通常是更好的选择，因为它可以在单个小尺寸器件中提供所有这些额外功能。

负载开关提供一系列来自多个供应商的性能参数和额定值，可以很好地适应应用优先级和可用部件。

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