連接和斷開(kāi)電源線路的分步方法和解決方案

本文討論電路設(shè)計(jì)人員在電子系統(tǒng)中打開(kāi)和關(guān)閉電源線路的選項(xiàng)。這聽(tīng)起來(lái)是件小事，但要成功實(shí)施，卻需要考慮諸多方面。

在有些電子系統(tǒng)中，需要斷開(kāi)電源線路的連接。例如，可能是切斷電池電壓，以保持電池電量，或者是斷開(kāi)負(fù)載與帶電線路的連接。理想情況下，可以使用機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。但是，如果需要通過(guò)電子信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)，那么使用電子開(kāi)關(guān)通常更加合適。這類(lèi)電子開(kāi)關(guān)可能采用MOSFET作為開(kāi)關(guān)元件。除了采用MOSFET的純分立式解決方案外，還可以使用多種半導(dǎo)體IC來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)電子開(kāi)關(guān)。

圖1. 使用N溝道MOSFET和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器電路 LTC7003來(lái)開(kāi)關(guān)電源線路。

首先，必須決定開(kāi)關(guān)元件是N溝道還是P溝道MOSFET。這兩種可能都合適。但是，與P溝道MOSFET相比，N溝道MOSFET的電阻更低，所以在導(dǎo)通狀態(tài)下?lián)p耗也更低。其劣勢(shì)在于N溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)方面。其中，柵極所需的電壓高于可用的電源線路電壓。

因此，驅(qū)動(dòng)IC中必須包含某種形式的電荷泵。P溝道MOSFET不需要這種類(lèi)型的增壓。但是，N溝通MOSFET的選擇范圍很廣。

接下來(lái)，需要選擇是將電源開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器集成在單個(gè)封裝中，還是使用雙芯片解決方案，即將驅(qū)動(dòng)器電路放在一個(gè)單獨(dú)的IC中，并將對(duì)應(yīng)的MOSFET放在另一個(gè)封裝中。已經(jīng)針對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路優(yōu)化的開(kāi)關(guān)選擇更加支持集成在同一個(gè)封裝中。在這種情況下，開(kāi)關(guān)一般都受到良好保護(hù)，在使用期間不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載。這種全集成解決方案也存在劣勢(shì)，包括市面上的相關(guān)產(chǎn)品較少，且成本更高。

第三步，必須確定單個(gè)MOSFET是否足以構(gòu)成機(jī)械開(kāi)關(guān)。MOSFET存在一個(gè)體二極管，因此，只能在一個(gè)方向上開(kāi)關(guān)電流。如果應(yīng)用要求完全斷開(kāi)線路，確保電流不能向任一方向流動(dòng)，那么，需要一個(gè)兩個(gè)MOSFET彼此反向串聯(lián)的解決方案。圖2顯示了這種開(kāi)關(guān)級(jí)配置。

圖2. 兩個(gè)N溝道MOSFET背對(duì)背連接來(lái)阻斷電路中兩個(gè)方向電流的電路。

最后，必須選擇合適的集成電路，也就是，用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)器，或是包含MOSFET和驅(qū)動(dòng)器的封裝。這個(gè)步驟聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，實(shí)際上卻相當(dāng)繁瑣。通常需要使用負(fù)載開(kāi)關(guān)。但是，可選的范圍并不大。在很多情況下，可以使用熱插拔控制器、電子保險(xiǎn)絲、浪涌保護(hù)器、理想二極管和電源路徑控制器，具體取決于應(yīng)用和所需的額外監(jiān)控功能。這些器件多數(shù)都包含開(kāi)關(guān)引腳，可以在需要時(shí)切斷電流。借助ADI公司的LTspice?仿真工具，可以確認(rèn)該解決方案的精密行為是否滿足規(guī)格要求。

圖3. 使用 LTC4414 低損耗PowerPath?控制器作為負(fù)載開(kāi)關(guān)的LTspice仿真。

根據(jù)具體的應(yīng)用，斷開(kāi)電源電壓可能會(huì)非常復(fù)雜。但是，可以使用一款帶有開(kāi)關(guān)控制引腳的特殊MOS驅(qū)動(dòng)器IC來(lái)降低設(shè)計(jì)難度。

審核編輯：郭婷