電源開(kāi)關(guān)設計基礎知識

電源開(kāi)關(guān)的使用較為復雜，甚至讓大多數電子產(chǎn)品設計人員都感到困惑，特別是對那些非電源管理專(zhuān)家而言。在各種各樣的應用中，例如：便攜式電子產(chǎn)品、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)或電信系統等，廣大設計人員正越來(lái)越多地使用電源開(kāi)關(guān)。這些電源開(kāi)關(guān)的使用方式多種多樣，包括控制、排序、電路保護、配電甚至是系統電源開(kāi)啟管理等。當然，每一種用法都需要有不同特性的電源開(kāi)關(guān)解決方案。

本文對不同應用中，使用電源開(kāi)關(guān)時(shí)設計人員需要考慮的一些重要規范和概念進(jìn)行了總結，并介紹了一些可能的解決方案，旨在幫助設計人員選擇一種最佳的解決方案。

很明顯，在選擇電源開(kāi)關(guān)以前您應該問(wèn)您自己的第一個(gè)問(wèn)題是：“我想要用這個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)做什么？”這是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但其答案卻能幫助您定義完美的產(chǎn)品。使用電源開(kāi)關(guān)的方式有數種。最為常見(jiàn)的是：

表 1 概括了電源開(kāi)關(guān)每種具體使用情況下需要考慮的重要特性。

° : 需要考慮的重要特點(diǎn) / 特性。
? : 有更好，但非強制特性，也非重要特性。
表 1 具體的應用要求

導通電阻、最大電流和輸入電壓范圍

導通電阻 (rON)、最大持續電流和輸入電壓范圍始終都是需要考慮的關(guān)鍵特性。它們是您在考查任何器件以前需要研究的基本特性。根據應用，設計人員可以輕松地知道需要開(kāi)關(guān)的電流，以及工作電壓的大小。根據這類(lèi)信息，您便可以做出初步的選擇。實(shí)際上，如果您需要一個(gè)能夠通過(guò) 1.2V 或 36V 的開(kāi)關(guān)，便可以確定兩種完全不同的產(chǎn)品范圍。

導通電阻會(huì )影響您在開(kāi)關(guān)上看到的壓降。設計人員必須仔細了解其特定應用設置（電壓、電流）相關(guān)的最大允許壓降。利用公式1可以很容易地計算得到：

其中，壓降為 VDROP，直通 FET 導通電阻為 rON，而通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流為 I。

如果應用需要開(kāi)關(guān)大量的電流，或者對低壓軌（如 1.0-V）進(jìn)行開(kāi)關(guān)，則需要最小化壓降。因此，導通電阻需要盡可能地低，例如：TPS2292x 系列特有 3.6-V 的14-m Ohm rON。但是，如果要開(kāi)關(guān)的電流較少，則導通電阻便不是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，您可以選擇一個(gè)約為 1 Ohm 的高導通電阻器件（如 TPS2294x 系列產(chǎn)品）。導通電阻是電源開(kāi)關(guān)器件裸片尺寸的一個(gè)重要因素，從而也是器件成本的重要原因。您要對其仔細研究，以選擇最低成本的解決方案。

除設計人員關(guān)注的開(kāi)關(guān)最大持續電流以外，另一個(gè)重要特性是開(kāi)關(guān)允許的最大脈沖電流。在某些應用中，大多數時(shí)候要求的負載均包括中等的持續電流。但是，當某個(gè)子系統要求更多功率時(shí)峰值便顯而易見(jiàn)。GSM/GPRS 發(fā)射脈沖便是一個(gè)較好的例子，其在 12.5% 占空比下 576μS 期間要求高達 1.7A 的電流。請確定所選用的器件可以支持這種脈沖電流。

功耗和保護特性

功耗也是需要考慮的一個(gè)重要特性。在作為直通開(kāi)關(guān)的正常運行期間，根據開(kāi)關(guān)的導通電阻以及開(kāi)關(guān)電流，可以計算得到功耗。利用公式 2，您可以很容易地計算得到器件的最大功耗。

如果該器件的導通電阻足夠低，則功耗較小，并且對器件工作溫度產(chǎn)生的影響也極小。但是，如果您計劃使用開(kāi)關(guān)來(lái)保護電壓軌免受過(guò)電流或者短路損害（如USB端口或指紋傳感器保護電路一樣），則要小心。在這種情況下，您必須選擇一種電流限制開(kāi)關(guān)，例如：TPS22944 等。如果您不使用電流限制開(kāi)關(guān)，則功耗會(huì )成為系統可靠性的主要問(wèn)題。例如，3.3-V 輸入電壓下，作用于一個(gè)非電流限制負載開(kāi)關(guān)的 0.9-? 短路（如 TPS22902 的導通電阻為 ~100-m?），會(huì )轉換成如公式 3 所示的功耗。

一般來(lái)說(shuō)，這種功耗對于市售的大多數封裝而言都太高，其可導致故障和可靠性問(wèn)題。

同樣，使用電流限制開(kāi)關(guān)的設計人員需要確定封裝能夠支持短路狀態(tài)。如果器件達到電流限制值，則輸出為短路接地時(shí)出現最大功耗。對于如 TPS22945 等具有自動(dòng)重啟時(shí)間 tRESTART 和過(guò)電流斷路時(shí)間 tBLANK 的一些器件來(lái)說(shuō)，最大平均功耗如公式 4 所示。

對于那些沒(méi)有自動(dòng)重啟環(huán)路（如 TPS22944 等）的器件來(lái)說(shuō)，輸出短路會(huì )使器件工作在恒流狀態(tài)下，從而保證在熱關(guān)斷啟用以前實(shí)現極端情況功耗。這樣，只要導通引腳有效且出現短路，它便在進(jìn)出熱關(guān)斷之間不停地循環(huán)。

市場(chǎng)上有一些電流限制開(kāi)關(guān)，需要考慮的兩個(gè)主要特性是電流限制最小值（固定電流限制或利用外部電阻編程），以及電流限制精度和響應時(shí)間。大多數應用中，電流限制精度并不是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因為器件用作一個(gè)斷路器（即出現短路時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)）。但是，如 USB 電流限制等一些應用的精度就顯得很重要，因為開(kāi)關(guān)是用作一個(gè)恒流源。

對于一些要開(kāi)關(guān)大電流或承受過(guò)電流的一些應用來(lái)說(shuō)，我們建議您選擇具有某種熱保護特性的器件。當發(fā)現器件溫度過(guò)高時(shí)，大多數器件都會(huì )啟用熱關(guān)斷，關(guān)閉 FET 來(lái)保護器件自身，以避免遭受任何潛在的熱損害。

除強制短路保護的電流限制（或者過(guò)電流保護—OCP）以外，還可以考慮如反向電流阻斷等其他一些保護特性。

設計人員嘗試設計一種電源選擇器 (ORing)，或者實(shí)現某種負載分配時(shí)，反向電流阻斷（也稱(chēng)作反向電壓保護）則為必需的。

圖 1 顯示了一個(gè)通過(guò)兩個(gè)潛在電源（即 DC 輸入和電池）為負載供電的電源開(kāi)關(guān)配置實(shí)例：

圖 1 雙源電源選擇器

對于沒(méi)有反向電壓保護的器件來(lái)說(shuō)，直通 FET 的輸入電壓保持在其輸出電壓以上很重要。否則，輸入將會(huì )通過(guò) FET 主體二極管被鉗位控制，從而使大電流從輸出流至輸入。

在圖 1 實(shí)例中，如果電池為一塊 4.2V（最大）的鋰離子 (Li-Ion) 電池，啟用 DC輸入，并且電壓為 5.0V，則潛在大電流將從負載流至電池——我們當然不希望看到這種結果！

一種有效的解決方案是使用一款具有反向電壓保護特性的器件。反向電流保護一般可以通過(guò)使用背靠背 FET，或者在探測到反向電壓狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān) PMOS FET 的背柵來(lái)實(shí)現。您將會(huì )研究反向電壓比較器跳變點(diǎn)（VOUT – VIN值，即啟用反向電流特性的閾值），以及從反向電壓狀態(tài)到 MOSFET 關(guān)閉的時(shí)間。

可有效用于某些應用的另外一種保護是過(guò)電壓保護 (OVP)。該特性在開(kāi)關(guān)出現過(guò)電壓時(shí)，保護開(kāi)關(guān)和系統。例如，它可以有效地用于一些 USB 應用或者電池應用中。

浪涌電流管理

電源開(kāi)關(guān)的另一種常見(jiàn)用法是對系統啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流進(jìn)行管理。如果開(kāi)關(guān)在不受控的情況下開(kāi)啟，則會(huì )形成巨大的浪涌電流，可導致開(kāi)關(guān)輸入電源軌壓降。其最終會(huì )影響系統的整體功能。

對大容量輸出電容充電時(shí)，浪涌電流會(huì )很大，需要對其進(jìn)行控制和/或限制。這種浪涌電流可由公式 5 計算得到：

例如， 和 1μS 升壓時(shí)間的情況下，浪涌電流可以高達 3A。

避免出現這種浪涌電流的一種簡(jiǎn)單方法是減慢開(kāi)關(guān)的升壓時(shí)間。這樣便可緩慢地對輸出電容充電，并降低電流峰值。在公式 5 的實(shí)例中，200μS 的升壓時(shí)間會(huì )導致 15mA 的浪涌電流，這是可以接受的。

一些情況下，您可能想對一些超大容量電容（數百 μF）充電。通常建議選擇非常長(cháng)的升壓時(shí)間，但是您也可以選擇一種具有高電流限制的開(kāi)關(guān)。器件將會(huì )在加電時(shí)進(jìn)行電流限制，同時(shí)電容將在電流限制值下獲得充電，其為電源開(kāi)關(guān)的最大功耗能力。

系統互操作性

任何情況下，在選擇電源開(kāi)關(guān)時(shí)，都需要認真地考慮系統互操作性問(wèn)題。例如，便攜式應用中使用電源開(kāi)關(guān)啟用和關(guān)閉負載來(lái)優(yōu)化功耗時(shí)，開(kāi)關(guān)的控制輸入必須與通用、低電壓（1.8-V）兼容，GPIO 至關(guān)重要。另外，當關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)，請確保開(kāi)關(guān)的浮動(dòng)輸出不影響系統性能。因此，一些用戶(hù)可能會(huì )在關(guān)閉時(shí)利用一個(gè)額外晶體管將電源開(kāi)關(guān)輸出緊密接地，或者使用一個(gè)集成這種下拉接地（如 TPS22902）的集成器件。

另一個(gè)重要的檢查點(diǎn)是設計穩定系統所使用的輸入和輸出電容。盡管通常不要求一個(gè)輸入電容來(lái)穩定一些市售的電源開(kāi)關(guān)，但在輸入電源連接一個(gè) 0.1uF 到 1uF 的低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 電容器時(shí)，卻被認為是一種較好的模擬設計方法。該電容可應對電抗性輸入源，并改善瞬態(tài)響應、噪聲及紋波抑制性能。根據開(kāi)關(guān)的負載，您可能會(huì )考慮在開(kāi)關(guān)的輸出端添加一些額外的儲能電容。如果開(kāi)關(guān)沒(méi)有反向電流阻斷，則強烈建議使用大于輸出電容的輸入電容，否則輸入將會(huì )通過(guò) FET 主體二極管被鉗位控制，從而使強大的電流從輸出端流到輸入端。