針對便攜設備的高端負載開(kāi)關(guān)及其關(guān)鍵應用參數

高端負載開(kāi)關(guān)的定義是：它通過(guò)外部使能信號的控制來(lái)連接或斷開(kāi)至特定負載的電源(電池或適配器)。相比低端負載開(kāi)關(guān)，高端負載開(kāi)關(guān)“流出”電流至負載，而低端負載開(kāi)關(guān)則將負載接地或者與地斷開(kāi)，因此它從負載“汲入”電流。

高端負載開(kāi)關(guān)不同于高端電源開(kāi)關(guān)。高端電源開(kāi)關(guān)管理輸出電源，因此通常會(huì )限制其輸出電流。相反地，高端負載開(kāi)關(guān)將輸入電壓和電流傳遞給“負載”，并且它不具備電流限制功能。

高端負載開(kāi)關(guān)包含三個(gè)部分：

傳輸元件：本質(zhì)上是一個(gè)晶體管，通常為一個(gè)增強型MOSFET。傳輸元件在線(xiàn)性區工作，將電流從電源傳輸至負載，就像一個(gè)“開(kāi)關(guān)”(與放大器相對應)。

柵極控制電路：向傳輸元件的柵極提供電壓來(lái)控制導通或關(guān)斷。它還被稱(chēng)為電平轉換電路，外部使能信號通過(guò)電平轉換來(lái)產(chǎn)生足夠高或者足夠低的柵極電壓(偏置電壓)來(lái)全面控制傳輸元 件的導通和關(guān)斷。

輸入邏輯電路：主要功能是解釋使能信號，并觸發(fā)柵極控制電路來(lái)控制傳輸元件的導通和關(guān)斷。

傳輸元件

傳輸元件是高端開(kāi)關(guān)最基本的組成部分。最經(jīng)?？紤]的參數，特別是開(kāi)關(guān)導通時(shí)的阻抗(RDSON)，與傳輸元件的結構和特性有直接關(guān)系。

由于增強型MOSFET一般在工作期間消耗的電流較少，在關(guān)斷期間泄漏的電流也較少，并且具有比雙極晶體管更高的熱穩定性，所以被廣泛用作高端負載開(kāi)關(guān)中的傳輸元件。本文將專(zhuān)門(mén)介紹基于增強型MOSFET的傳輸元件。增強型MOSFET傳輸元件可以是N溝道FET，也可以是P溝道FET。

當N溝道FET的柵極電壓(VG)比其源極電壓(VS)和漏極電壓(VD)高出一個(gè)閾值(VT)時(shí)，N溝道FET就會(huì )被完全轉換至導通狀態(tài)或者工作于其線(xiàn)性區。以下式子給出了導通條件的數學(xué)表達式：

VG－VS＝VGS＞VT

VG－VT＞VD

或者是，

VGS－VT＞VDS

其中，VG為柵極電壓、VS為源極電壓、VD為漏極電壓、VT為FET的閾值電壓、VGS為柵－源極壓降、VDS為漏－源極壓降，所有參數均為正。

圖1：具有內置電荷泵的N溝道FET高端負載開(kāi)關(guān)

當N溝道FET導通時(shí)，漏極電流ID為正，從漏極流向源極(如圖1和圖2所示)。當P溝道FET的柵極電壓(VG)比其源極電壓(VS)和漏極電壓(VD)低出一個(gè)閾值(VT)時(shí)，P溝道FET就會(huì )被完全轉換至導通狀態(tài)或者工作于其線(xiàn)性區：

　　
圖2：具有額外VBIAS輸入的N溝道FET高端負載開(kāi)關(guān)

VS－VG＝VSG＞VT

VD－VT＞VG

或者是， VSG－VT＞VSD

其中，VG為柵極電壓、VS為源極電壓、VD為漏極電壓、VT為FET的閾值電壓、VSG為源柵極壓降、VSD為源漏極壓降，這里的所有參數也均為正的。

當P溝道FET處于導通狀態(tài)時(shí)，漏極電流ID為負，從源極流向漏極(圖3)。N溝道FET將電子用作“多數載流子”，與P溝道FET的“多數載流子”空穴相比，電子具有更高的移動(dòng)率。這意味著(zhù)，在相同的物理密度下，N溝道FET比P溝道FET具有更高的跨導，從而使得在導通狀態(tài)期間產(chǎn)生較低的漏－源極阻抗(即RDSON)。N溝道FET的RDSON一般為相同尺寸的P溝道FET的RDSON的1/3~1/2，漏極電流ID也會(huì )高出相應的倍數(未考慮連接線(xiàn)厚度和封裝等其它限制參數)。這還表示，對于相同的RDSON和ID，N溝道FET一般需要較少的硅片，因此它的柵極電容和閾值電壓比P溝道FET要低。

　　
圖3：P溝道FET高端負載開(kāi)關(guān)

此外，由于當開(kāi)關(guān)導通時(shí)N溝道FET的VD比VG低VT，并且VD一般與VIN相連，因此有可能傳遞給負載的VIN非常低。理論上講，N溝道FET開(kāi)關(guān)的VIN可以低至接近GND，并且不高于VG-VT。另一方面，P溝道FET開(kāi)關(guān)傳遞給負載的VIN(與VS相連)總是高于VG+VT。但這并不表示在任何情況下選擇傳輸元件時(shí)N溝道FET都比P溝道FET好。

如上所述，N溝道FET的一個(gè)基本屬性是開(kāi)關(guān)導通時(shí)工作在線(xiàn)性區，VG要比VD高VT。但是，由于VD幾乎總是與VIN(通常是開(kāi)關(guān)的最高電壓)相連，因此VG必須從現有電壓(如外部使能信號EN)進(jìn)行由低向高的電平轉換，或者通過(guò)直流偏移進(jìn)行從低向高的偏置，直流偏移是單個(gè)新的高壓軌，通常被稱(chēng)為“VBIAS”。

如果柵極電壓從使能信號進(jìn)行從低向高的電平轉換，通常需要一個(gè)電荷泵作為附加的內部電路。電荷泵需要一個(gè)內置的振蕩器，芯片上至少需要一個(gè)“快速”(flying)電容器，從而產(chǎn)生柵極電壓(通常是在導通過(guò)程中的多個(gè)使能信號)。這當然增加了設計復雜性和硅片大小，從而抵消了N溝道FET因RDSON較低所帶來(lái)的硅片縮小的優(yōu)勢。當負載電流相對較低(幾安培)時(shí)，電荷泵確實(shí)會(huì )增加硅片面積，并且增加的面積比RDSON所能縮小的面積要大，這使得N溝道開(kāi)關(guān)解決方案的成本和設計復雜性要高于P溝道開(kāi)關(guān)方案。更多細節如圖1所示。

如果柵極電壓通過(guò)直流偏移VBIAS進(jìn)行從低向高的偏置，就不再需要電荷泵，從而硅片面積的增加也不再是主要問(wèn)題。但是由于可能不具備額外的高壓軌(這是大多數電池供電的設置和器件都需要的)，因此這可能不是系統級的最佳解決方案(圖2)。

而在P溝道FET中，VG通常低于VS(與VIN相連)。只要開(kāi)關(guān)導通時(shí)VS保持在VG