【集成电源开关拓扑系列二---负载开关】

可以看出，与第1、2个分立负载电路相比，输入电压没有明显跌落。但是有另外一个问题，就是输出电压和电流出现短暂负值。当VIN应用于电路且ON为低电平时，PMOS的栅极和漏极之间的电容器被充电到VIN值。当ON为高电平，PMOS的栅极从VIN拉到地。由于电容器两端的电压不能瞬间改变，PMOS输出VOUT上的电压也被拉低，这导致VOUT上出现负电压。一旦PMOS的栅极放电完成，输出电压就能够上升到VIN的值。

负电压不仅会损坏负载开关下游的设备，还会导致系统中部件的栓锁和ESD问题。

与电路#2一样，该电路也具有从VIN到地面的放电路径，当PMOS打开时，导致电流从VIN泄漏。

该电路还有一个独特的缺点，当VIN首次上电时，即使此时ON为低电平，NMOS关处于关闭状态。PMOS 栅极与漏极之间的大电容会导致栅极的电压上升较慢，从而导致PMOS误导通。如下图：这将导致大的浪涌电流和输出电压，这可能会无打开负载，并对电源造成压力。这种情况在使用可更换电池的系统中尤其普遍，因为加入一个新电池会导致VIN很快从0V转到电池电压。

1. 4 PMOS分立负载开关电路4

实际应用路中，使用的分立开关电路如下图，将电阻、电容并联在PMOS的栅极与源极之间，产生一个RC延迟，从而减少涌入电流和减慢PMOS的开关速度。另外从PMOS的栅极串联电阻，也可以以减缓输出上升时间。

其开通特性如下图，输入电压基本不会跌落，浪涌电流持续时间也较短。相对与集成负载开关，浪涌电流是非线性变化的，不是可控的。

1.5 NMOS分立负载开关电路

下图是一个简单的NMOS负载开关电路，该电路对输入电压VIN的最大值有限制，VIN需要小于Vgate-VGS 。

为了解决VIN限制问题，可以在上述电路基础上，增加一个电荷泵电路，使用电荷泵，可以实现NMOS的高VGS，并且使驱动电路的导通电阻降低。当然与PMOS一样，也会存在浪涌电流问题。如果需要减少浪涌电流，也还需要增加其他一些分立器件。

二、集成负载开关介绍

2.1 集成负载开关框图

大部分集成负载开关包含四个引脚：输入电压引脚、输出电压引脚、使能引脚和接地引脚。其内部框图如下：

（1）. 导通 FET 是负载开关的主要件，它决定了负载开关可处理的最大输入电压和最大负载电流。负载开关的导通电阻是导通 FET 的特性，将用于计算负载开关的功耗。导通 FET 既可以是 N 沟道 FET，也可以是 P 沟道 FET，这将决定负载开关的架构。

（2）. 栅极驱动器以控制方式对 FET 的栅极进行充放电，从而控制器件的上升时间。

（3）. 控制逻辑由外部逻辑信号驱动。它控制了导通 FET 和其它模块（如快速输出放电模块、充电泵和带保护功能的模块）的接通和关断。

（4）. 并非所有负载开关中均包含电荷泵。电荷泵用于带有 N 沟道 FET 的负载开关，因为栅极和源极 (VOUT) 间需要有正差分电压才能正确接通 FET。

（5）. 快速输出放电模块是一个连接 VOUT 到 GND 的片上电阻，当通过 ON 引脚禁用器件时，该电阻导通。这将对输出节点进行放电，从而防止输出浮空。对于带有快速输出放电模块的器件，仅当 VIN 和 VBIAS 处于工作范围内时，此功能才有效。

（6）. 不同的负载开关中还包括其它功能。这些功能包括但不限于热关断、限流和反向电流保护等。

2.2 集成负载开关datasheet中的参数

下面列出了负载开关的常见数据表参数和定义。

• 输入电压范围 (V IN ) – 这是负载开关可支持的输入电压范围。

• 偏置电压范围 (V BIAS ) – 这是负载开关可支持的偏置电压范围。为负载开关的内部模块供电可能需要此参数，具体取决于负载开关的架构。

• 最大连续电流 (I MAX ) – 这是负载开关可支持的最大连续直流电流。

• 导通状态电阻 (R ON ) – 这是在 VIN 引脚与 VOUT 引脚间测得的电阻，其中考虑了封装和内部导通 FET 的电阻。

• 静态电流 (I Q ) – 这是为器件的内部模块供电所需的电流量，以 VOUT 上没有任何负载时流入 VIN 引脚的电流为测量值。

• 关断电流 (I SD ) – 这是禁用器件时流入 VIN 的电流量。

• ON 引脚输入漏电流 (I ON ) – 这是 ON 引脚上施加高电压时流向 ON 引脚的电流量。

• 下拉电阻 (R PD ) – 这是禁用器件时从 VOUT 到 GND 的下拉电阻值。

2.3 集成负载开关的导通特性

如下图，以TI的TPS22919负载开关为例，电压5V，电流1A，负载电容100µF。

控制的上升时间确保了较低的浪涌电流和输入电压下降，且不需要使用任何外部组件。

三、分立负载开关与集成负载开关对比

如下图所示，分立负载开关电路1 简单、价格相低。但是占用PCB面积较大、且基本没有保护功能。集成负载开关在占用PCB面积小、具有强大的保护功能，价格稍贵。如果用分立器件要实现接近同样的保护功能，成本、PCB面积都要高很多。

因此，如果系统对保护功能没有过高要求，可以使用简单的分立负载开关1，否则建议选用集成负载开关。

四、集成负载开关选型与设计注意事项

4.1 NMOS 与 PMOS

在 NMOS 器件中，通过使栅极电压高于源极电压来使导通 FET 接通。通常，源极电压与 VIN 端子处于相同电势。要使栅极和源极间产生上述电压差，需要一个电荷泵。使用电荷泵将增大器件的静态电流。
在 PMOS 器件中，通过使栅极电压低于源极电压来使导通 FET 接通。 PMOS 器件的架构无需电荷泵，因此其静态电流比 NMOS 器件的静态电流低。基于 PMOS 的架构与基于 NMOS 的架构的一个主要差别是，基于 PMOS 的负载开关在低电压下性能欠佳，因为低压下VGS低，导通电阻RDSON大。而 NMOS 器件在低输入电压应用中性能良好。

4.2 导通状态电阻 (RON)

导通状态电阻 (RON) 是一个极为重要的参数，因为它决定了负载开关的压降和功耗。 RON 越大，负载开关的压降越大，功耗越高。

其中，

∆Vmax = VIN 到 VOUT 的最大压降
ILOAD = 负载电流
RON, max = 给定 VIN 对应的器件最大导通电阻
IQ = 负载开关的静态电流

4.3 电压 (VIN) 和电流 (IMAX) 额定值

决定使用哪种负载开关时的重要考虑因素之一是应用所需的电压和电流。负载开关必须能够支持稳态工作期间所需的直流电压和电流，以及瞬变电压和峰值电流。需要注意的是，一些负载开关需要偏置电压来开启器件和偏置内部电路。此偏置电压与输入电压无关。

4.4 关断电流 (ISD) 和静态电流 (IQ)

静态电流是负载开关接通时消耗的电流。除 I2R 损耗外，静态电流还将决定负载开关接通时的功耗量。如果负载电流足够大，则静态电流引起的功耗可忽略不计。
关断电流决定了负载开关通过 ON 引脚被禁用时的功耗量。使用负载开关切断子系统电源可显著降低电源轨的待机功耗。

4.5 上升时间 (tR)

上升时间因器件而异。上升时间可能需要较短，也可能较长，具体取决于应用。此外，浪涌电流与上升时间成反比。了解系统所能接受的浪涌电流是十分有益的。

其中

INRUSH = CL 产生的浪涌电流的大小
CL = VOUT 上的总电容
dVOUT = 启用器件时 VOUT 的电压变化
dt = VOUT 电压变化 dVOUT 所用的时间

4.6 快速输出放电 (QOD)

一些负载开关具有内部电阻，该电阻会在开关关断时将输出拉至地，以避免输出浮空。要使快速输出放电功能起作用，输入电压引脚上的电压需处于工作范围内。
快速输出放电功能有诸多好处，例如：
• 输出不会浮空并且始终处于已确定状态。
• 下游模块始终完全关闭。
不过，仍有应用无法从快速输出放电功能中受益。
• 如果负载开关的输出与电池相连，则通过 ON 引脚禁用负载开关时，快速输出放电会导致电池电量耗尽。
• 如果两个负载开关用作双输入单输出多路复用器（其中，二者输出连在一起），则负载开关无法提供快速输出放电功能。否则，快速输出放电期间将持续浪费电能，因为只要通过 ON 引脚禁用负载开关，电流就会通过内部电阻流向地。

4.7 封装尺寸

集成负载开关提供各种不同的形状和尺寸。确保应用能够接受负载开关是十分重要的。在空间受限的系统中，可能需要选择较小的封装尺寸。例如，可能不需要使用 0.4mm 间距的器件，所以选择部件时不应考虑0.4mm 间距的器件。因此，选择器件时应考虑封装尺寸。

4.8 输入和输出电容

4.9 散热注意事项

最大 IC 结温应限制为绝对最大值表中指示的正常工作条件下的最大结温。要计算在给定的输出电流和环境温度下的最大允许功耗 PD(max)，请使用公式：

其中：
PD(max) = 最大允许功耗
TJ(max) = 最大允许结温
TA = 器件的环境温度
θJA = 结点到空气热阻此参数很大程度上取决于电路板布局。

五、总结

参考文档：

1、Basics of Load Switches--TI

2、Integrated Load Switches Versus Discrete MOSFETs--TI

3、Selecting a Load Switch to Replace a Discrete Solution--TI

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