【導(dǎo)讀】本文將討論負載開關(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載開關(guān) IC 來描述這些要點，并展示如何應(yīng)用它們來滿足最新產(chǎn)品設(shè)計的需要。
本文將討論負載開關(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載開關(guān) IC 來描述這些要點，并展示如何應(yīng)用它們來滿足最新產(chǎn)品設(shè)計的需要。
在幾乎所有的系統(tǒng)設(shè)計中，管理直流電源軌以及保護它們免受各種內(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)計這樣的情況越來越多。
電源軌管理的挑戰(zhàn)
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，對電源軌的實際物理層面的控制是負載開關(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等基本要求外，現(xiàn)在越來越多地要求負載開關(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)計來實現(xiàn)。
為了繞過這種復(fù)雜性，同時減少分立式實現(xiàn)方式所需的成本和電路板空間，設(shè)計人員可以選擇負載開關(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)計要求。
負載開關(guān)基礎(chǔ)知識
基本型負載開關(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，從而向負載電路提供電能。
負載開關(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功能，如過流保護和防回流（也稱為反向電流），而過流和回流都會損壞系統(tǒng)及其元件。它們還可以實現(xiàn)其他有用的功能，如在電源軌開啟時進行壓擺率控制和超溫保護。
在其最簡單的應(yīng)用中，負載開關(guān)用在電源和單個負載的電源軌之間，以便在需要時通過 PMIC 進行開啟，或進入靜態(tài)狀態(tài)以節(jié)省電力（圖 2）。
負載開關(guān)參數(shù)
負載開關(guān)有幾個關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計人員必須評估。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）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、智能手機和物聯(lián)網(wǎng)模塊，它們對電池壽命和運行時間有很大影響。
過流保護
負載開關(guān)的過流保護功能不僅僅是為了保護明確的故障，如負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載供電時，就會出現(xiàn)輸出電壓下降，并且一個負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)期是由電源的負載瞬態(tài)性能和負載的具體情況決定的。
反過來，這種下降可能導(dǎo)致第二個負載不能正常啟動或行為不正常。由于這些原因，負載開關(guān)的限流功能是有用的，因為它可以緩和第一負載對電流需求增加所引起的輸出電壓下降。
許多系統(tǒng)需要確保其多個負載以特定的順序通電，并在每個電源軌進入活動狀態(tài)之間有確定的時間。在這些情況下，可以在 PMIC 控制下使用多個負載開關(guān)，管理它們的順序和相對時間（圖 4）。
反向電流阻斷
負載開關(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。考慮兩個不同電壓的電源被復(fù)用到一個負載上的情況（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。
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（標準硅二極管為 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載開關(guān)，它可以實現(xiàn)所需的防倒流對策，而不需要進行折衷。
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。
如果負載開關(guān)的輸出連接到電池上，當(dāng)負載開關(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功率，因為只要負載開關(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)用器與負載開關(guān) IC 時，有必要選擇不具備放電功能的負載開關(guān)。這時就需要一個稱為真正反向電流阻斷的負載開關(guān)功能。它可以防止從輸出端流向輸入端的反向電流，而不管負載開關(guān)的 ON/OFF 狀態(tài)如何。
具有這種功能的負載開關(guān)將輸入電壓 VIN 與 IC 中的輸出電壓 VOUT 進行比較，當(dāng) VOUT>VIN 時，防倒流電路啟動（圖 6）。
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“負載開關(guān) IC 的過流保護功能和反向電流防止功能”中對這些微妙之處進行了更詳細的討論。
新型 IC 針對高增長應(yīng)用
負載開關(guān)并不新鮮，但它們越來越多地要根據(jù)特定應(yīng)用的要求來進行定制。Toshiba TCK12xBG 系列下一代負載開關(guān)明確地證明了這一點，該系列包括三個器件：TCK126BG、TCK127BG 和 TCK128BG（圖 7）。
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。
這些負載開關(guān)的其他屬性均實現(xiàn)了電氣規(guī)格超越。它們也遠遠小于 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，該負載開關(guān)減少了 34% 空間需要（圖 8）。
這種小尺寸為設(shè)計人員節(jié)省了很大電路板空間，而這一點對于可穿戴設(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）。
結(jié)語
如果設(shè)計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）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載開關(guān)就顯得至關(guān)重要。如上所述，Toshiba 的 TCK12xBG 系列負載開關(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要求的集成元件，并簡化了設(shè)計。
（作者：Bill Schweber，來源：得捷電子DigiKey）
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