一款可簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)應用子系統負載管理的集成負載開(kāi)關(guān)

　電池供電系統中正越來(lái)越多地采用集成電源開(kāi)關(guān)，旨在斷開(kāi)所有未用子系統。這些應用包括RF功率放大器、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)或藍牙®模塊、LCD顯示器等等，其目的是減少漏電流，或者通過(guò)一個(gè)穩定電源來(lái)配電。在諸如通信基礎設施的非便攜式應用中，人們現在更多地考慮使用負載開(kāi)關(guān)，目的是要對系統總功耗進(jìn)行優(yōu)化，以符合節能或者綠色環(huán)保規定。

　　本文將討論在無(wú)線(xiàn)應用中對負載進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)您需要考慮的一些重要規范。我們還會(huì )介紹一些傳統的解決方案，并表明如何使用集成負載開(kāi)關(guān)來(lái)創(chuàng )建一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化且易于實(shí)施的解決方案。

　　大多數便攜式電池供電無(wú)線(xiàn)應用（移動(dòng)電話(huà)、便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品、筆記本電腦或者其他使用WLAN、藍牙或任何其他無(wú)線(xiàn)協(xié)議的便攜式設備）以及越來(lái)越多在電磁場(chǎng)環(huán)境（例如：RF微波子系統等）下工作的非電池供電應用都面臨如何管理其未用子系統功耗的挑戰。這樣做的目的是在符合嚴格的空間和成本規定的同時(shí)優(yōu)化其功耗預算。

　　降低系統總功耗預算普遍使用的一種簡(jiǎn)單方法是關(guān)閉那些未使用的子系統。通過(guò)在電源軌上安裝一個(gè)負載開(kāi)關(guān)并在需要的時(shí)候連接和斷開(kāi)該電源軌可以輕松地實(shí)現上述方法。例如，我們可以在不使用的時(shí)候關(guān)閉某個(gè)WLAN電源模塊，從而消除子系統漏電帶來(lái)的電流損耗。使用同樣的方法，越來(lái)越多的移動(dòng)電話(huà)廠(chǎng)商往往會(huì )關(guān)閉閑置未使用的RF功率放大器，因為其存在大量的漏電流。在許多通信基礎設施應用中，一些子系統會(huì )在夜間關(guān)閉以降低總漏電，因為夜間的數據處理要求并沒(méi)有晝間那么高。

　　負載開(kāi)關(guān)離散實(shí)施一般包括一個(gè)功率MOSFET（通常為一個(gè)p-通道FET，但也可根據應用需要使用n-通道），其門(mén)極偏置以獲得要求的性能。MOSFET偏置電路通常包括一個(gè)NMOS以兼容低壓控制信號，但為了提高功率FET的性能其構造更加復雜（例如：一個(gè)充電泵）。

　　理想情況下，您應該有一個(gè)與其輸入一致的負載開(kāi)關(guān)輸出。但是，在實(shí)際運行中，由于存在開(kāi)關(guān)的寄生效應，輸出信號改變了。

　　要想設計一款基于負載開(kāi)關(guān)的解決方案，下面是一些您需要考慮的最為重要的參數：

　　·r_ON–通FET漏極到源極的導通狀態(tài)電阻

　　·I_MAX和I_PLS–最大連續電流及最大脈沖電流

　　·t_RISE–上升時(shí)間

　　·V_IH/V_IL–控制閾值

　　·I_CC和I_SHUTDOWN–靜態(tài)電流和關(guān)斷電流

　　·輸出放電特性

　　導通電阻明顯是一個(gè)關(guān)鍵規范，因為它決定了流經(jīng)FET的壓降情況。低額定電流（200mA）的應用并不需要非常低的導通電阻，然而高電流的一些應用通常會(huì )要求較低的r_ONFET，目的是最小化壓降和相關(guān)功耗。流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電壓損耗情況可通過(guò)公式來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計算。

　　除了設計人員要對其進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作的最大連續電流以外，考慮開(kāi)關(guān)能夠接受的最大脈沖電流也至關(guān)重要。在無(wú)線(xiàn)應用中，一些負載由溫和的連續電流組成，而這些電流的后面緊跟著(zhù)RF功率放大器帶來(lái)的電流脈沖。例如，占空比為12.5%時(shí)，576µS時(shí)間內GSM/GPRS突發(fā)傳輸會(huì )吸取高達1.7A的電流。因此，對設計進(jìn)行一定調整以符合這類(lèi)脈沖電流要求很重要。

　　您需要考慮的另一個(gè)重要參數是開(kāi)關(guān)首次開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。如果自由開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，同時(shí)也取決于輸出電容的大小程度，開(kāi)關(guān)輸出會(huì )出現大浪涌電流帶來(lái)的電源軌壓降，而其最終將影響整個(gè)系統的功能性。避免出現這種浪涌電流的一種簡(jiǎn)單方法是延長(cháng)開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間。這樣便可緩慢地對輸出電容器充電，從而降低電流峰值。為了控制功率FET的上升時(shí)間，可嘗試使用一個(gè)外部電阻-電容網(wǎng)絡(luò )。

　　另外，開(kāi)關(guān)從“開(kāi)啟”轉換到“關(guān)閉”狀態(tài)時(shí)，一些用戶(hù)不喜歡電源軌浮動(dòng)。因此，在關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)，可利用一個(gè)附加晶體管來(lái)下拉接地輸出。

　　考慮過(guò)這些重要問(wèn)題以后，對于一名經(jīng)驗豐富的設計人員來(lái)說(shuō)，基于離散式半導體組件來(lái)實(shí)施一款對系統不同負載進(jìn)行開(kāi)關(guān)的解決方案就是一件十分簡(jiǎn)單的事情了。但是，從零開(kāi)始實(shí)施這種解決方案可能會(huì )花費大量的時(shí)間。更為重要的是，從解決方案體積和成本的角度來(lái)看，其可能并非最佳。一個(gè)基本負載開(kāi)關(guān)包括由一個(gè)功率PMOSFET、兩個(gè)NMOSFET、一個(gè)負載電阻（讓其兼容低壓邏輯信號，并在閑置不用的時(shí)候對軌放電）以及一個(gè)控制上升時(shí)間和避免浪涌電流的RC時(shí)間常數組成。這種解決方案至少使用6個(gè)組件，并要求8mm²到20mm²以上的空間，具體取決于導通電阻要求和所使用的封裝類(lèi)型。

　　為了減少設計工作量并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，半導體供應商們推出了一些易于實(shí)施、成熟、完全合格的集成負載開(kāi)關(guān)作為其系列產(chǎn)品的組成部分，例如：TPS22924C或者TPS22902等。諸如此類(lèi)的IC均具有我們前面介紹的單個(gè)超小型封裝特性。用戶(hù)現在可以在減少90%板級空間需求的同時(shí)簡(jiǎn)化其子系統負載管理，如圖1所示。

圖1100-mOhm和10-mOhm開(kāi)關(guān)要求離散式解決方案與負載開(kāi)關(guān)IC空間分析對比

　　結論

　　使用集成負載開(kāi)關(guān)，是實(shí)施分布式電源架構并優(yōu)化子系統功耗管理的一種簡(jiǎn)單方法。因其靈活性、易于實(shí)現性，以及更少的組件數目和更高的總可靠性——最終帶來(lái)更短的產(chǎn)品上市時(shí)間，集成負載開(kāi)關(guān)解決了廣大設計人員面臨的諸多無(wú)線(xiàn)應用難題。