集成負載開關是可用于開啟和關閉系統(tǒng)中的電源軌的電子繼電器。負載開關為系統(tǒng)帶來許多其它優(yōu)勢，并且集成通常難以用分立元件實現(xiàn)的保護功能。負載開關可用于多種不同的應用，包括但不限于：

●配電

●上電排序和電源狀態(tài)轉換

●減小待機模式下的漏電流

●浪涌電流控制

●斷電控制

1什么是負載開關?

集成負載開關是可用于開啟和關閉電源軌的集成電子繼電器。大部分基本負載開關包含四個引腳：輸入電壓引腳、輸出電壓引腳、使能引腳和接地引腳。當通過ON引腳使能器件時，導通FET接通，從而使電流從輸入引腳流向輸出引腳，并且電能傳遞到下游電路。

圖1.常規(guī)負載開關電路圖

1.1常規(guī)負載開關框圖

了解負載開關的架構對于確定負載開關的規(guī)范很有幫助。圖2所示為基本負載開關的框圖，該負載開關包括五個基本模塊?？梢园嗄K以向負載開關添加功能。

圖2.常規(guī)負載開關框圖

1.導通FET是負載開關的主要元件，它決定了負載開關可處理的最大輸入電壓和最大負載電流。負載開關的導通電阻是導通FET的特性，將用于計算負載開關的功耗。導通FET既可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET，這將決定負載開關的架構。

2.柵極驅動器以控制方式對FET的柵極進行充放電，從而控制器件的上升時間。

3.控制邏輯由外部邏輯信號驅動。它控制了導通FET和其它模塊(如快速輸出放電模塊、充電泵和帶保護功能的模塊)的接通和關斷。

4.并非所有負載開關中均包含電荷泵。電荷泵用于帶有N溝道FET的負載開關，因為柵極和源極(VOUT)間需要有正差分電壓才能正確接通FET.

5.快速輸出放電模塊是一個連接VOUT到GND的片上電阻，當通過ON引腳禁用器件時，該電阻導通。這將對輸出節(jié)點進行放電，從而防止輸出浮空。對于帶有快速輸出放電模塊的器件，僅當VIN和VBIAS處于工作范圍內時，此功能才有效。

6.不同的負載開關中還包括其它功能。這些功能包括但不限于熱關斷、限流和反向電流保護。

1.2負載開關的常見數(shù)據(jù)表參數(shù)和定義

●輸入電壓范圍(VIN)–這是負載開關可支持的輸入電壓范圍。

●偏置電壓范圍(VBIAS)–這是負載開關可支持的偏置電壓范圍。為負載開關的內部模塊供電可能需要此參數(shù)，具體取決于負載開關的架構。

●最大連續(xù)電流(IMAX)–這是負載開關可支持的最大連續(xù)直流電流。

●導通狀態(tài)電阻(RON)–這是在VIN引腳與VOUT引腳間測得的電阻，其中考慮了封裝和內部導通FET的電阻。

●靜態(tài)電流(IQ)–這是為器件的內部模塊供電所需的電流量，以VOUT上沒有任何負載時流入VIN引腳的電流為測量值。

●關斷電流(ISD)–這是禁用器件時流入VIN的電流量。

●ON引腳輸入漏電流(ION)–這是ON引腳上施加高電壓時流向ON引腳的電流量。

●下拉電阻(RPD)–這是禁用器件時從VOUT到GND的下拉電阻值。

下面將概述一些可以通過使用負載開關獲得好處的應用。

2為什么需要負載開關

本部分將概述一些可以通過使用負載開關獲得好處的應用。

2.1配電

許多系統(tǒng)對子系統(tǒng)配電的控制有限。如圖3所示，可使用負載開關來接通和關斷輸入電壓相同的子系統(tǒng)，而不使用多個DC/DC轉換器或LDO.使用負載開關后，可通過對各個負載的控制在不同負載間進行配電。

圖3.配電框圖[!--empirenews.page--]

2.2上電排序和電源狀態(tài)轉換

在某些系統(tǒng)(尤其是帶有處理器的系統(tǒng))中，必須遵循嚴格的上電時序。通過使用GPIO或I2C接口，負載開關成為可實現(xiàn)滿足上電要求的上電排序的簡單解決方案。負載開關可提供每個電源路徑的獨立控制，從而簡化上電排序的負載點控制，如圖4所示。

圖4.使用負載開關的上電排序

2.3降低漏電流

在許多設計中，存在只在特定工作模式期間使用的子系統(tǒng)。可以使用負載開關關閉這些子系統(tǒng)的電源來限制漏電流量和功耗。圖5顯示了使用和不使用負載開關時的漏電流對比情況。有關詳細信息，請參見輸入和輸出電容部分。

圖5.使用和不使用負載開關時的漏電流對比情況

在一些應用中，可禁用電路(如DC/DC轉換器、LDO和模塊)并將其置于待機模式。但即使是處于關斷狀態(tài)，這些模塊的漏電流也相對較高。如上圖所示，在負載前面放置一個負載開關可顯著減小漏電流。因此，在電源路徑中放置一個負載開關可大幅降低功耗。[!--empirenews.page--]

2.4浪涌電流控制

在沒有任何轉換率控制的情況下開啟子系統(tǒng)時，可能會由于負載電容快速充電產生浪涌電流而導致輸入軌下陷。由于此輸入軌可能正在為其它子系統(tǒng)供電，因此這會引發(fā)問題(圖6)。負載開關可以通過控制輸出電壓的上升時間來消除輸入電壓的下陷，從而解決此問題(圖7)。

圖6.導致電源電壓突降的浪涌電流

圖7.使用負載開關的轉換率控制

2.5斷電控制

當不帶快速輸出放電功能的DC/DC轉換器或LDO關閉時，負載電壓保持浮空，斷電取決于負載，如圖8所示。這可能導致出現(xiàn)預想外的動作，因為下游模塊并未在斷電后到達指定狀態(tài)。

圖8.未使用負載開關時的不受控斷電

使用帶快速輸出放電功能的負載開關可緩解這些問題。負載將以受控方式快速斷電，并將復位為已知的良好狀態(tài)以備下次上電，如圖9所示。這將消除負載上的任何浮空電壓并確保其始終處于定義的電源狀態(tài)。

圖9.使用負載開關時的受控斷電

2.6保護特性

某些應用可能需要負載開關中集成故障保護功能。一些負載開關包括反向電流保護、ON引腳滯后、限流、欠壓鎖定和過熱保護等集成功能。與通過離散元件實現(xiàn)這些復雜電路不同，使用集成負載開關可減少物料清單數(shù)量、減小解決方案尺寸并縮短開發(fā)時間。下面簡要介紹了其中一些功能：

●反向電流保護功能將阻止電流從VOUT引腳流向VIN引腳。如果沒有此功能，當二極管壓降導致VOUT上的電壓高于VIN上的電壓時，電流可能從VOUT引腳流向VIN引腳。因此，反向電流阻斷可使某些應用獲益，如電流不應從VOUT流向VIN的電源多路復用器應用。有許多不同的方法可實現(xiàn)反向電流保護。在某些情況下，器件(如TPS22912)將監(jiān)視VIN引腳和VOUT引腳上的電壓。當此差分電壓超出特定閾值時，開關將被禁用，同時體二極管斷開以防止出現(xiàn)流向VIN的反向電流。某些器件(如TPS22963C)只有在被禁用時才具有反向電流保護功能。

●ON引腳滯后功能可使GPIO使能更穩(wěn)定。由于ON引腳上存在邏輯高電平與邏輯低電平的電壓差，即使GPIO線上出現(xiàn)噪聲，控制電路也將按預期工作。圖10說明了ON引腳滯后如何為GPIO使能線提供穩(wěn)定性。

●限流功能將限制負載開關輸出的電流量。這將確保外部電路不會拉過量的電流。如果電流不受限制，外部電路可能會使主系統(tǒng)停止工作。在限流模式下，負載開關提供連續(xù)電流，直至開關電流降至電流限值以下。

●欠壓鎖定(UVLO)用于在VIN電壓降至閾值以下時關閉器件，以確保下游電路不會因為供電電壓低于預期值而損壞。

●過熱保護功能可在器件溫度超出閾值溫度時禁用開關。憑借此功能，器件可用作在檢測到高溫時關斷的安全開關。

圖10. ON引腳滯后

2.7減少BOM數(shù)量和PCB面積

使用集成負載開關可減少系統(tǒng)的BOM數(shù)量。如果有離散FET與其它元件配合使用，則可以考慮使用負載開關來減少系統(tǒng)中的元件總數(shù)。分離創(chuàng)建負載開關時，將需要多個電阻、電容和晶體管來實現(xiàn)柵極驅動器、控制邏輯、輸出放電和保護功能。而采用集成負載開關，只需單個器件便可實現(xiàn)全部功能，從而顯著降低BOM數(shù)量。