【導讀】本文將討論負載開(kāi)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(jiǎn)單，而且可對電源軌進(jìn)行電子開(kāi)/關(guān)控制。文章將使用 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) 的 TCK12xBG 系列中的三個(gè)新型負載開(kāi)關(guān) IC 來(lái)描述這些要點(diǎn)，并展示如何應用它們來(lái)滿(mǎn)足最新產(chǎn)品設計的需要。
本文將討論負載開(kāi)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(jiǎn)單，而且可對電源軌進(jìn)行電子開(kāi)/關(guān)控制。文章將使用 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) 的 TCK12xBG 系列中的三個(gè)新型負載開(kāi)關(guān) IC 來(lái)描述這些要點(diǎn)，并展示如何應用它們來(lái)滿(mǎn)足最新產(chǎn)品設計的需要。
在幾乎所有的系統設計中，管理直流電源軌以及保護它們免受各種內部和外部故障模式的影響都是至關(guān)重要的。當有多個(gè)電源軌時(shí)，挑戰就變得復雜了。在今天的系統中，采用小型、低功耗和電池供電型設計這樣的情況越來(lái)越多。
電源軌管理的挑戰
電源軌的管理始于一個(gè)電源管理集成電路 (PMIC)，它根據需要指定開(kāi)啟和關(guān)閉流向電源軌的電流。PMIC 還負責管理多個(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載開(kāi)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(guò)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，現在越來(lái)越多地要求負載開(kāi)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 的設計來(lái)實(shí)現。
為了繞過(guò)這種復雜性，同時(shí)減少分立式實(shí)現方式所需的成本和電路板空間，設計人員可以選擇負載開(kāi)關(guān) IC，將所需的功能與開(kāi)關(guān)集成在一個(gè)封裝中。這些集成式負載開(kāi)關(guān)解決或避免了許多操作性的電源軌問(wèn)題，也有助于滿(mǎn)足許多移動(dòng)或電池供電型設計要求。
負載開(kāi)關(guān)基礎知識
基本型負載開(kāi)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(kāi)。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(kāi)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(chǎng)效應管驅動(dòng)器、電平移位器和各種電路保護功能，如過(guò)流保護和防回流（也稱(chēng)為反向電流），而過(guò)流和回流都會(huì )損壞系統及其元件。它們還可以實(shí)現其他有用的功能，如在電源軌開(kāi)啟時(shí)進(jìn)行壓擺率控制和超溫保護。
在其最簡(jiǎn)單的應用中，負載開(kāi)關(guān)用在電源和單個(gè)負載的電源軌之間，以便在需要時(shí)通過(guò) PMIC 進(jìn)行開(kāi)啟，或進(jìn)入靜態(tài)狀態(tài)以節省電力（圖 2）。
負載開(kāi)關(guān)參數
負載開(kāi)關(guān)有幾個(gè)關(guān)鍵參數，設計人員必須評估。其中三個(gè)最重要的參數分別是最大輸入電壓、最大輸出電流和“導通”電阻。其他參數可能也很關(guān)鍵，具體取決于應用需要，包括：
. 靜態(tài)電流 (IQ)：為負載開(kāi)關(guān)供電所需的電流，其輸出端沒(méi)有任何電流。
. 關(guān)斷（待機）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用中越來(lái)越重要，如可穿戴設備、智能手機和物聯(lián)網(wǎng)模塊，它們對電池壽命和運行時(shí)間有很大影響。
過(guò)流保護
負載開(kāi)關(guān)的過(guò)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(shí)或永久短路。也可能需要緩解輸出電壓下降的結果，在某些情況下，當一個(gè)電源軌為幾個(gè)負載供電時(shí)，就會(huì )出現輸出電壓下降，并且一個(gè)負載的開(kāi)啟速度會(huì )更快（圖 3）。電流需求的突然增加會(huì )導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(guò)來(lái)，這種下降可能導致第二個(gè)負載不能正常啟動(dòng)或行為不正常。由于這些原因，負載開(kāi)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。
許多系統需要確保其多個(gè)負載以特定的順序通電，并在每個(gè)電源軌進(jìn)入活動(dòng)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)負載開(kāi)關(guān)，管理它們的順序和相對時(shí)間（圖 4）。
反向電流阻斷
負載開(kāi)關(guān)的反向電流阻斷正如其名稱(chēng)所述的那樣：當輸出側的電壓高于輸入側時(shí)，它可以防止電流反向流動(dòng)。
這可能是由于兩種常見(jiàn)的情況造成的。首先，由于斷開(kāi)的電纜意外擦到了電池端子，甚至在重新連接時(shí)出錯，電源（如汽車(chē)電池）可能無(wú)意中被接反了。它甚至可能是像普通用戶(hù)把電池插反了這樣的基本錯誤。
第二種情況有些不太明顯?？紤]兩個(gè)不同電壓的電源被復用到一個(gè)負載上的情況（圖 5）。共享輸出側的電壓可以變得比低電壓電源輸入側的電壓高。在這種情況下，電流可以從高電壓側流向低電壓側，從而損壞低電壓源。
有三種方法來(lái)處理反向電流阻斷問(wèn)題：
最簡(jiǎn)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(lái)耗散相應的熱量。
第二種方法是使用一個(gè) MOSFET 與電源軌串聯(lián)，但其導通電阻 (RON) 也會(huì )導致電壓降，而且其熱耗散要求必須得到滿(mǎn)足。
第三種選擇是使用具有反向電流阻斷功能的負載開(kāi)關(guān)，它可以實(shí)現所需的防倒流對策，而不需要進(jìn)行折衷。
放電功能
通常情況下，當電源多路復用器關(guān)閉時(shí)，自動(dòng)放電功能會(huì )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(dòng)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。
如果負載開(kāi)關(guān)的輸出連接到電池上，當負載開(kāi)關(guān)通過(guò) ON 引腳被禁用時(shí)，快速的輸出放電會(huì )導致電池耗盡。
如果在一個(gè)兩輸入、一輸出的多路復用器中使用兩個(gè)負載開(kāi)關(guān)（輸出被綁在一起），那么通過(guò)快速輸出放電就會(huì )不斷地浪費功率，因為只要負載開(kāi)關(guān)通過(guò) ON 引腳被禁用，電流就會(huì )流經(jīng)內部電阻到地。
因此，在配置功率復用器與負載開(kāi)關(guān) IC 時(shí)，有必要選擇不具備放電功能的負載開(kāi)關(guān)。這時(shí)就需要一個(gè)稱(chēng)為真正反向電流阻斷的負載開(kāi)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(kāi)關(guān)的 ON/OFF 狀態(tài)如何。
具有這種功能的負載開(kāi)關(guān)將輸入電壓 VIN 與 IC 中的輸出電壓 VOUT 進(jìn)行比較，當 VOUT>VIN 時(shí)，防倒流電路啟動(dòng)（圖 6）。
與真正的反向電流阻斷和自動(dòng)放電功能相關(guān)的微妙之處還有更多；在 Toshiba 應用說(shuō)明“負載開(kāi)關(guān) IC 的過(guò)流保護功能和反向電流防止功能”中對這些微妙之處進(jìn)行了更詳細的討論。
新型 IC 針對高增長(cháng)應用
負載開(kāi)關(guān)并不新鮮，但它們越來(lái)越多地要根據特定應用的要求來(lái)進(jìn)行定制。Toshiba TCK12xBG 系列下一代負載開(kāi)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）。
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用的優(yōu)先順序和需求。它們的許多規格都優(yōu)于其前代產(chǎn)品和現有的競爭設備。
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(guò)兩個(gè)數量級。此外，待機電流僅為 13 nA。典型導通電阻 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。
這些負載開(kāi)關(guān)的其他屬性均實(shí)現了電氣規格超越。它們也遠遠小于 Toshiba 和其他供應商提供的相同電壓/電流等級的其他可用器件。它們采用四引線(xiàn) 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(zhù)相比前代間距為 0.4 mm 的 0.79 × 0.79 × 0.55 mm 封裝，該負載開(kāi)關(guān)減少了 34% 空間需要（圖 8）。
這種小尺寸為設計人員節省了很大電路板空間，而這一點(diǎn)對于可穿戴設備等超小型應用來(lái)說(shuō)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)負載開(kāi)關(guān)具有內置壓擺率控制驅動(dòng)器，在 3.3 伏時(shí)上升時(shí)間為 363 微秒(μs)。這些開(kāi)關(guān)之間的區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）。
結語(yǔ)
如果設計人員要滿(mǎn)足小型電池供電型設備（如可穿戴設備和智能手機）以及物聯(lián)網(wǎng)設備對低能耗、小尺寸和低成本的需求，具有高度集成功能的負載開(kāi)關(guān)就顯得至關(guān)重要。如上所述，Toshiba 的 TCK12xBG 系列負載開(kāi)關(guān)具有靜態(tài)電流低和尺寸更小的優(yōu)勢，帶有滿(mǎn)足功能和保護要求的集成元件，并簡(jiǎn)化了設計。
（作者：Bill Schweber，來(lái)源：得捷電子DigiKey）
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