電源軌難管理？試試這些新型的負(fù)載開關(guān)IC！

本文將討論負(fù)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(jìn)行電子開/關(guān)控制。

在幾乎所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，管理直流電源軌以及保護(hù)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(gè)電源軌時(shí)，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(jì)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(gè)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(fù)責(zé)管理多個(gè)電源軌之間的時(shí)間和順序。然而，對電源軌的實(shí)際物理層面的控制是負(fù)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(hù)等基本要求外，現(xiàn)在越來越多地要求負(fù)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(jì)來實(shí)現(xiàn)。

為了繞過這種復(fù)雜性，同時(shí)減少分立式實(shí)現(xiàn)方式所需的成本和電路板空間，設(shè)計(jì)人員可以選擇負(fù)載開關(guān) IC，將所需的功能與開關(guān)集成在一個(gè)封裝中。這些集成式負(fù)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(jì)要求。

負(fù)載開關(guān)基礎(chǔ)知識

基本型負(fù)載開關(guān)只有四個(gè)引腳：輸入電壓、輸出電壓、使能和接地（圖 1）。當(dāng)一個(gè)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(shí)，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(fù)載電路提供電能。

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圖 1：負(fù)載開關(guān)是一個(gè)基于 FET 的直通設(shè)備，它可以通過一個(gè)電子控制信號允許/阻止電流從直流電源流向其負(fù)載。（圖片來源：Bill Schweber）

負(fù)載開關(guān)不僅僅是一個(gè)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(hù)功能，如過流保護(hù)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(shí)現(xiàn)其他有用的功能，如在電源軌開啟時(shí)進(jìn)行壓擺率控制和超溫保護(hù)。

在其最簡單的應(yīng)用中，負(fù)載開關(guān)用在電源和單個(gè)負(fù)載的電源軌之間，以便在需要時(shí)通過 PMIC 進(jìn)行開啟，或進(jìn)入靜態(tài)狀態(tài)以節(jié)省電力（圖 2）。

圖 2：在其最簡單的應(yīng)用中，負(fù)載開關(guān)由 PMIC 控制，并控制流向負(fù)載的電流。（圖片來源：Toshiba）

負(fù)載開關(guān)參數(shù)

負(fù)載開關(guān)有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)人員必須評估。其中三個(gè)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(fù)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(jī)）電流 (ISD)：器件被禁用時(shí)流入VIN的電流。

ON 引腳輸入泄漏電流 (ION)：器件啟用時(shí)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(jī)和物聯(lián)網(wǎng)模塊，它們對電池壽命和運(yùn)行時(shí)間有很大影響。

過流保護(hù)

負(fù)載開關(guān)的過流保護(hù)功能不僅僅是為了保護(hù)明確的故障，如負(fù)載處的臨時(shí)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(gè)電源軌為幾個(gè)負(fù)載供電時(shí)，就會出現(xiàn)輸出電壓下降，并且一個(gè)負(fù)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(gè)延遲或恢復(fù)期是由電源的負(fù)載瞬態(tài)性能和負(fù)載的具體情況決定的。

圖 3：一個(gè)負(fù)載開關(guān)可以給多個(gè)負(fù)載供電，這些負(fù)載可能不會同時(shí)啟動和開通。（圖片來源：Toshiba）

反過來，這種下降可能導(dǎo)致第二個(gè)負(fù)載不能正常啟動或行為不正常。由于這些原因，負(fù)載開關(guān)的限流功能是有用的，因?yàn)樗梢跃徍偷谝回?fù)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(gè)負(fù)載以特定的順序通電，并在每個(gè)電源軌進(jìn)入活動狀態(tài)之間有確定的時(shí)間。在這些情況下，可以在 PMIC 控制下使用多個(gè)負(fù)載開關(guān)，管理它們的順序和相對時(shí)間（圖 4）。

圖 4：通過使用多個(gè)負(fù)載開關(guān)，可以根據(jù)需要控制各種負(fù)載的開啟順序和時(shí)間，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。（圖片來源：Bill Schweber）

反向電流阻斷

負(fù)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(shí)，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(shí)出錯(cuò)，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(cuò)誤。

第二種情況有些不太明顯。考慮兩個(gè)不同電壓的電源被復(fù)用到一個(gè)負(fù)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。

圖 5：即使復(fù)用電源通過自己的負(fù)載開關(guān)連接，也會出現(xiàn)反向電流的問題。（圖片來源：Toshiba）

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(gè)二極管。但是二極管上的電壓降（標(biāo)準(zhǔn)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(gè) 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(fù)載開關(guān)，它可以實(shí)現(xiàn)所需的防倒流對策，而不需要進(jìn)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(shí)，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(gè)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(fù)載開關(guān)的輸出連接到電池上，當(dāng)負(fù)載開關(guān)通過 ON 引腳被禁用時(shí)，快速的輸出放電會導(dǎo)致電池耗盡。

如果在一個(gè)兩輸入、一輸出的多路復(fù)用器中使用兩個(gè)負(fù)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(fèi)功率，因?yàn)橹灰?fù)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(fù)載開關(guān) IC 時(shí)，有必要選擇不具備放電功能的負(fù)載開關(guān)。這時(shí)就需要一個(gè)稱為真正反向電流阻斷的負(fù)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(fù)載開關(guān)的 ON/OFF 狀態(tài)如何。

具有這種功能的負(fù)載開關(guān)將輸入電壓VIN與 IC 中的輸出電壓VOUT進(jìn)行比較，當(dāng)VOUT>VIN時(shí)，防倒流電路啟動（圖 6）。

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圖 6：真正的反向電流阻斷可以防止電流從輸出端流向輸入端，無論負(fù)載開關(guān)是 ON 還是 OFF。（圖片來源：Toshiba）

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(fù)載開關(guān) IC 的過流保護(hù)功能和反向電流防止功能”中對這些微妙之處進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。

新型 IC 針對高增長應(yīng)用

負(fù)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(jìn)行定制。Toshiba TCK12xBG 系列下一代負(fù)載開關(guān)明確地證明了這一點(diǎn)，該系列包括三個(gè)器件：TCK126BG、TCK127BG和TCK128BG（圖 7）。

圖 7：TCK12xBG 系列器件內(nèi)部框圖顯示了其功能的簡單性；圖中所示為 TCK128BG。（圖片來源：Toshiba）

這三個(gè) 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(gè)數(shù)量級。此外，待機(jī)電流僅為 13 nA。典型導(dǎo)通電阻 RON在 5.0 伏時(shí)為 46 mΩ，3.3 伏時(shí)為 58 mΩ，1.8 伏時(shí)為 106 mΩ，1.2 伏時(shí)為 210 mΩ。

這些負(fù)載開關(guān)的其他屬性均實(shí)現(xiàn)了電氣規(guī)格超越。它們也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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 × 0.55mm 封裝，該負(fù)載開關(guān)減少了 34% 空間需要（圖 8）。

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圖 8：與其前代產(chǎn)品相比，TCK12xBG 器件的尺寸較小，所需的電路板空間減少了 34%。（圖片來源：Toshiba，作者有修改）

這種小尺寸為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了很大電路板空間，而這一點(diǎn)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(gè) 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(gè)負(fù)載開關(guān)具有內(nèi)置壓擺率控制驅(qū)動器，在 3.3 伏時(shí)上升時(shí)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）。

圖 9：TCK12xBG 系列的三個(gè)負(fù)載開關(guān)在快速輸出放電功能的配對以及控制線是高電平有效還是低電平有效方面有所不同。（圖片來源：Toshiba）

結(jié)語

如果設(shè)計(jì)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(jī)）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(fù)載開關(guān)就顯得至關(guān)重要。如上所述，Toshiba 的 TCK12xBG 系列負(fù)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(hù)要求的集成元件，并簡化了設(shè)計(jì)。