電源開(kāi)關(guān)器件講解(1)

引言：電源開(kāi)關(guān)提供從電源或地到負(fù)載的電氣連接，通過(guò)多個(gè)電源軌降低功率損耗，并保護(hù)子系統(tǒng)免受損壞。它還提供了增強(qiáng)的器件保護(hù)，浪涌電流保護(hù)，最小化占據(jù)PCB的面積。本節(jié)主要簡(jiǎn)述展示電源開(kāi)關(guān)組合中的不同拓?fù)?，并提供選擇正確保護(hù)方案的建議。

1.器件總覽

有幾種具有不同功能的電源開(kāi)關(guān)拓?fù)?，可以?yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。負(fù)載開(kāi)關(guān)通過(guò)提供安全可靠的電源分配，建立電源開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)。通常使用負(fù)載開(kāi)關(guān)的應(yīng)用包括配電、電源排序、浪涌電流控制和減少泄漏電流。集成電源復(fù)用器件類似于負(fù)載開(kāi)關(guān)，但允許多個(gè)輸入源，其內(nèi)部電子開(kāi)關(guān)用于選擇在兩個(gè)或多個(gè)輸入電源路徑之間轉(zhuǎn)換到單個(gè)輸出，同時(shí)也提供輸入電源保護(hù)。

電子保險(xiǎn)絲eFuse和熱插拔控制器提供額外的輸入電源路徑保護(hù)功能，如電流監(jiān)測(cè)、限流、欠壓和過(guò)壓保護(hù)，以及過(guò)熱關(guān)斷。這使得這些器件非常適合用于熱插拔和瞬態(tài)場(chǎng)景，避免損壞系統(tǒng)器件，這些保護(hù)器件有助于降低系統(tǒng)維護(hù)成本，并使系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間最大化，如圖2-1是幾類器件的功能概覽，實(shí)際功能由所選的具體器件型號(hào)決定。

圖2-1：各類器件基本性能一覽

2.使用路徑

如圖2-2所示是幾類保護(hù)器件的使用場(chǎng)景和環(huán)節(jié)所在。

圖2-2：典型的電源開(kāi)關(guān)用例場(chǎng)景

3.負(fù)載開(kāi)關(guān)

圖2-3是集成FET負(fù)載開(kāi)關(guān)，用來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉電源軌道的電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)晶體管打開(kāi)時(shí)，電流從輸入流到輸出，并將電源傳遞后級(jí)電路。當(dāng)器件啟用時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)外部CT引腳上的電容來(lái)控制輸出電壓Vout的上升時(shí)間。當(dāng)器件被禁用時(shí)，通過(guò)快速輸出放電QOD（quick output discharge）來(lái)控制Vout的下降時(shí)間。當(dāng)器件關(guān)閉時(shí)，QOD將輸出拉到GND，防止輸出浮動(dòng)或進(jìn)入未確定狀態(tài)。

圖2-3：負(fù)載開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)圖

負(fù)載開(kāi)關(guān)的一些常見(jiàn)功能包括省電模式、電源排序和浪涌電流控制。在尋求最小化電流損耗和最大化功率效率的應(yīng)用要求中，節(jié)能非常重要，通過(guò)斷開(kāi)供應(yīng)負(fù)載或子系統(tǒng)的電源，最小化非工作狀態(tài)（休眠/待機(jī)）負(fù)載產(chǎn)生的功率。在需要按特定的順序打開(kāi)和關(guān)閉個(gè)別電壓軌的應(yīng)用中，通過(guò)配置CT和QOD引腳，可以調(diào)整上升和斷電時(shí)間。浪涌電流控制功能保護(hù)負(fù)載附近包含大型電容器的系統(tǒng)，當(dāng)開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)上電時(shí)，給這些電容器充電可能會(huì)導(dǎo)致超過(guò)標(biāo)稱負(fù)載電流的較大的涌入電流。如果不處理，這可能導(dǎo)致電壓軌由于跌落而不滿足設(shè)定輸出，導(dǎo)致系統(tǒng)宕機(jī)。負(fù)載開(kāi)關(guān)可以通過(guò)CT引腳調(diào)節(jié)電源軌的上升時(shí)間來(lái)減輕浪涌電流，從而不需要電壓下降或外部調(diào)節(jié)器就可以實(shí)現(xiàn)線性斜率輸出。

特性功能：可調(diào)上升時(shí)間，可調(diào)QOD，占據(jù)PCB面積小，具有可控上升時(shí)間的自我保護(hù)功能，最低的導(dǎo)通電阻，PGOOD指示，快速開(kāi)啟時(shí)間（≤65us），過(guò)熱關(guān)斷。

4.電源多路復(fù)用

圖2-4是集成FET電源復(fù)用器件，它允許系統(tǒng)在不同的電源之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換，如果主電源出現(xiàn)故障，電源多路復(fù)用允許系統(tǒng)切換到備用電源，比如電池，以維持系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。電源復(fù)用還可以為在兩個(gè)不同電壓下運(yùn)行的子系統(tǒng)提供兩個(gè)不同電壓電平之間的切換。在這種情況下，為了防止反向電流從Vout流入Vin通道，反向電流保護(hù)（RCP）功能阻止電流回流流過(guò)體二極管。電源多路復(fù)用也包含可調(diào)的電流限制，如果電流超過(guò)了開(kāi)關(guān)設(shè)定的閾值，該開(kāi)關(guān)就會(huì)給輸出通道限流，防止電流超過(guò)限制。此外如果電流限制使器件達(dá)到較高的溫度，熱關(guān)閉激活關(guān)閉開(kāi)關(guān)，直到它能夠在安全的條件下再次運(yùn)行。與負(fù)載開(kāi)關(guān)類似，電源MUX開(kāi)關(guān)也包含浪涌電流控制，以防止大的瞬態(tài)電流事件。

圖2-4：電源MUX簡(jiǎn)圖

電源MUX器件一般可以通過(guò)三種方式在不同的電源軌之間切換：手動(dòng)、自動(dòng)或兩者兼有。使用外部GPIO進(jìn)行手動(dòng)切換，當(dāng)想在電源軌道之間切換時(shí)，切換啟用引腳，輸出由另一個(gè)電源軌供電。當(dāng)主電源發(fā)生故障或被斷開(kāi)時(shí)，就會(huì)發(fā)生自動(dòng)切換。當(dāng)器件檢測(cè)到電壓降時(shí)，它會(huì)自動(dòng)切換到備用電源軌。有一些電源MUX解決方案，它們提供較大的靈活性，可用于自動(dòng)配置，并由手動(dòng)控制信號(hào)進(jìn)行控制，此方法可以具有默認(rèn)（自動(dòng)）優(yōu)先級(jí)，但如果需要，也可以被外部MCU優(yōu)先控制。

特性功能：自動(dòng)優(yōu)先級(jí)或手動(dòng)切換，可調(diào)電流限制，快速輸出切換。

5.eFuse

圖2-5電子保險(xiǎn)絲是集成FET的電源保護(hù)開(kāi)關(guān)，在故障事件時(shí)提供電壓和電流保護(hù)，這些事件包括短路、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓和過(guò)溫。在類似短路的瞬態(tài)事件中，通過(guò)eFuse的電流增加得非?？欤O(shè)定電流閾值后，eFuse能夠?qū)崿F(xiàn)快速跳閘，在不到200ns的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷電流，避免電源和負(fù)載受到短路損壞。如果在輸入Vin上發(fā)生過(guò)電壓事件，eFuse會(huì)監(jiān)測(cè)內(nèi)部FET的電壓，然后鉗位輸出電壓，直到輸入低于過(guò)電壓閾值。eFuse還具有內(nèi)置超溫保護(hù)，如果結(jié)溫超過(guò)150°C（典型），可關(guān)閉FET。在溫度下降后，eFuse要么保持關(guān)閉（鎖存關(guān)閉）或嘗試重新啟動(dòng)（自動(dòng)恢復(fù)），eFuse提供了許多類似負(fù)載開(kāi)關(guān)的附加功能，包括可調(diào)浪涌電流控制和反向電流保護(hù)。

圖2-5：eFuse簡(jiǎn)圖

另外需要注意從主干電源到輔助電源（例如大容量電容）的電流，此項(xiàng)可視為是有一個(gè)較大的容性負(fù)載，當(dāng)設(shè)備插入或從帶電電源中取出時(shí)，在給電容的初始充電過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)非常大的電流尖峰，eFuse或熱插拔控制器可確保設(shè)備安全插入和退出。與熱插拔控制器不同，eFuse包含一個(gè)集成FET，尺寸較小，這使得eFuse可以用于諸如電源多路復(fù)用之類的應(yīng)用中。通過(guò)使用兩個(gè)eFuse，每個(gè)eFuse可以控制電源軌，同時(shí)為其各自的電源提供反向電流保護(hù)。

特性功能：過(guò)壓和欠壓鉗位，使用FLT引腳實(shí)現(xiàn)QOD，可調(diào)電流限制，最低的導(dǎo)通電阻，精確的負(fù)載監(jiān)測(cè)，可調(diào)的瞬態(tài)故障管理，背靠背FET，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，過(guò)熱關(guān)斷，內(nèi)部反向電流阻斷，反向極性保護(hù)，功率限制、過(guò)壓切斷或電壓鉗位。