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负载开关

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负载开关  负载开关是一款内置P沟道MOSFET,自带ON/OFF功能和输出电流保护功能的低消耗电流负载开关。它能够控制供电电路的时序,并带有CL放电电路,因此在使用多个电源的应用中,能最大限度地有效合理地分配电源,大大提高了电池的使用时间,延长使用寿命。

  导通电阻 0.75Ω@VIN=2.9V(TYP.)

  1.15Ω@VIN=1.8V (TYP.)

  输出电流 200mA(300mA限流TYP.)

  输入电压范围 1.8V~6.0V(绝对最大额定值:6.5V)

  低消耗电流 3.0μA@ VIN=1.8V

  待机电流 0.1μA

  保护电路 定电流限流300mA(TYP.)

  短路保护 短路电流30mA(TYP.)

  ON/OFF功能 高电平ON

  采用USP-4封装,并且不需要电容等外部元件,有助于实现电源电路的小型化,大大节省了空间。

  CE端输入低电压时,芯片处于节电模式,如果此时输出端接有电容,在节电模式下,内部开关导通,能实现电容高速放电,使VOUT端电压快速回归到VSS程度。

  内置Foldback型过电流保护电路,能在输出端出现过电流和短路时提供保护。

  功率MOSFET是一种具有良好开关特性的器件:导通时其导通电阻RDS(ON)很小;在关断时其漏电流IDSS很小。另外,它的耐压范围很宽,从几十V到几百V,漏极电源范围宽,从几A到几十A,所以非常适合作负载开关。

  N沟道MOSFET可以组成最简单的负载开关,如图1所示。负载接在电源与漏极之间(负载可以是直流电动机、散热风扇、大功率LED、白炽灯泡或螺管线圈等)。在其栅极上加一个逻辑高电平,则N-MOSFET导通,负载得电;在其栅极加一个逻辑低电平,则N-MOSFET关断,负载失电。

  图1 用MOSFET组成的负载开关

  从图1可以看出,负载开关接是在电源与负载之间,用逻辑电平来控制通、断,使负载得电或失电的功率器件。由于开关在负载的下边,一般称为低端负载开关。

  如果负载是一个要求接地的电路(如功率放大电路、发射电路或接收电路等),则低端负载开关不能用,要采用高端负载开关。高端负载开关主要由P沟道MOSFET组成,如图2所示。图2(a)是由一个P-MOSFET与一个反相器组成的,图2(b)是由一个P-MOSFET与一个N-MOSFET组成的。开关在负载的上面,称高端负载开关。

  图2 高端负载开关

  以图2(a)来说明其工作原理。在反相器输入端输入逻辑高电平时,其输出端为低电平,反相器的输出端与P-MOSFET的栅极连接,则使-VGS≈VIN,P-MOSFET导通,负载得电;若反相器输入端输入逻辑低电平,反相器输出高电平,则使其-VGS≈0V,P-MOSFET关断,负载失电。一般在输入端往往接一下拉电阻,其目的是使负载开关在无控制信号输入时处于可靠的关断状态。

  图2(b)的工作原理与图2(a)相同,读者可自行分析。

  如果在负载开关与负载之间接了一个大容量电容,如图3所示。当这电容的等效串联电阻非常小时,在负载开关导通的瞬间,有较大的瞬态电流(冲击电流,如图3右图所示)流过开关管。为减小冲击电流,在负载开关中增加了C1及R2,如图4所示。当负载开关在导通后的瞬间,输入电压经P管后加在C1及R2上(Q1的导通电阻略而不计),其电压主要降在R2上,减小了-VGS,减小ID电流,即减小冲击电流。C1≤1000pF,R1=10~47kΩ,R2=1~4.7kΩ。

  图3 负载开关接负载电路

  图4 负载开关基本电路

  图2、图4是负载开关的基本电路。由于电路十分简单,可以由分立元件组成,但目前有现成的集成电路,使应用更方便,占PCB面积也更小。

  负载开关是一种通用功率开关器件,过去主要应用于工业控制及汽车工业等。近年来,随着便携式电子产品的发展,如PDA、手机、数码相机等纤巧产品大量上市,为了节省电能,除了应用高效率的电源管理IC外,还需要多个负载开关,并由微处理器进行控制组成负载管理(在不同的工作状态时,给有用的负载供电,将不用的负载统统关断)。图1就是一种负载管理的结构示意图。在图中,电源管理IC有5路输出(3路DC/DC转换器、2路LDO)。DC/DC1的输出供3个并联的负载1~负载3。为了控制负载1~3的通电或断电,在DC/DC1与3个负载之间加接了3个负载开关(负载开关1~3),其控制端接微处理器I/O口,由微处理器控制其通、断来实现负载管理。

  图1 负载管理结构拓扑

  负载开关增加电流限制功能后,可用作计算机外设供电端口(USB),并且可做成热插拔电源插座,也可做成功率分配开关。

  图2是一种输出限制电流可调节的USB端口电路。该电路由MIC2008作功率分配开关,由USB控制器对功率分配开关实现控制。限定的电流由外设电阻R来设定(限制电流范围为0.2~2.0A)。该功率分配开关的输出电压上升率(启动时间)可由外设电容C来设定,内部有过热保护及输入电压过低时输出锁存保护。

  图2 输出限制电流可调节的USB端口电路

  从负载开关基本电路来看,其特点是结构简单,缺点是缺少过热保护(负载有局部短路或输出有短路)。在有短路时不仅负载、负载开关损坏,并且由于电源过载关断会使整个装置、系统不能正常工作。因此近年来,人们根据负载开关的应用状况作了不少的改进,改善了性能、提高了工作可靠性、增加了功能。

  1 在安全保护方面

  ①在负载开关中增加过热关闭电路。如果有发生负载局部短路或短路情况时,使负载开关的管芯温度超过过热阈值温度(如125℃),则过热关闭电路起作用将负载开关切断。不仅阻止了负载更大的损坏,也使电源不因负载短路而影响向其他电路供电。在过热故障发生时,负载开关还输出故障信号(给微处理器μP)以告知故障的存在。另外还有输入欠压锁存保护功能。

  ②在负载开关中增加限流电路。负载开关中没电流检测及限流输出电路。它有两种结构:限制电流值是工厂设定的;限制电流可由用户外设一个电阻设定。发生过流状态时,负载开关输出故障信号。

  具有限流输出的负载开关,不仅提高了工作的可靠性及安全性,并且这种负载开关还可以用作功率分配开关、热插拔插座、USB端口。有的负载开关在过流时便输出锁存(无输出),则这种负载开关可看作“电子保险丝”在排除过流故障后,重新启动后可正常工作。有的负载开关在过流时,以限制的电流(恒流)继续给负载供电。

  2 在开关性能方面

  随着半导体工艺技术的进步,单个分立器件MOSFET的导通电阻逐年下降,导通电阻小的可做到几mΩ。集成负载开关中的MOSFET导通电阻稍大,目前可做到几十mΩ左右。为了改善开关的性能,使开关慢启动(慢启动是指开关接通时,其电压上升率是一个斜坡,防止有过大的冲击电流)、快关断。电压上升的斜率有几种:由工厂设定几种斜率(启动时间不同),供用户选择;由用户在器件外设一电容,设定其启动时间。为了快速关断开关,在负载开关中设有关断时输出有放电电路,如图所示。在负载开关关断时,N-MOSFET导通,电容往N管放电,加速关断时间。

  图 负载开关中的输出有效放电电路

  3 其他方面

  为了适应便携式电子产品对负载开关的应用需要,在以下几方面作了改进:工作电压适合电池供电电压,一般为 1.8~5.5V或1.2~5.5V;为满足更低的电压,最低输入电压为0.8V;减少静态电流,一般为几μA(静态电流大小与负载开关内部的电路负载程度有关),典型值为1μA。个别较简单的负载开关,其静态电流IQ=25μA;输出电流一般0.2~6A,可满足各种便携式的要求;为满足便携式体积小的要求,负载开关采用小尺寸封装,一般采用SOT-23封装、2mm×2mm的MLP或MLF封装、SC-70封装,最小的采用6焊球BGA封装,其封装尺寸仅为1.5mm×1.0mm;在电源关断时,无反向电流。



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dolphin    


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