在幾乎所有的系統設計中，管理直流電源軌以及保護它們免受各種內部和外部故障模式的影響都是至關重要的。當有多個電源軌時，挑戰就變得復雜了。在今天的系統中，采用小型、低功耗和電池供電型設計這樣的情況越來越多。

電源軌的管理始于一個電源管理集成電路 (PMIC)，它根據需要指定開啟和關閉流向電源軌的電流。PMIC 還負責管理多個電源軌之間的時間和順序。然而，對電源軌的實際物理層面的控制是負載開關的任務，這是一種基于 MOSFET 的安排，可以接受允許電流通過或阻止電流的指示。

除了諸如浪涌電流壓擺率控制和超溫保護等基本要求外，現在越來越多地要求負載開關提供其他功能和特性，如受控掉電、快速輸出放電和真正的反向電流阻斷等，但所有這些都很難用基于分立式 FET 的設計來實現。

為了繞過這種復雜性，同時減少分立式實現方式所需的成本和電路板空間，設計人員可以選擇負載開關 IC，將所需的功能與開關集成在一個封裝中。這些集成式負載開關解決或避免了許多操作性的電源軌問題，也有助于滿足許多移動或電池供電型設計要求。

本文將討論負載開關的作用，其基本功能、附加功能以及高級特性，正是這些功能使得它們不僅僅相對簡單，而且可對電源軌進行電子開/關控制。文章將使用 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) 的 TCK12xBG 系列中的三個新型負載開關 IC 來描述這些要點，并展示如何應用它們來滿足最新產品設計的需要。

負載開關基礎知識

基本型負載開關只有四個引腳：輸入電壓、輸出電壓、使能和接地（圖 1）。當一個邏輯電平控制信號施加到其 ON/OFF 控制引腳（可以是高電平有效或低電平有效）時，該器件即被啟用，然后直通 FET 打開。這允許電流從輸入引腳 VIN 流向輸出引腳 VOUT，從而向負載電路提供電能。

圖 1：負載開關是一個基于 FET 的直通設備，它可以通過一個電子控制信號允許/阻止電流從直流電源流向其負載。（圖片來源：Bill Schweber）

負載開關不僅僅是一個封裝的直通 FET。至少還包括控制邏輯、場效應管驅動器、電平移位器和各種電路保護功能，如過流保護和防回流（也稱為反向電流），而過流和回流都會損壞系統及其元件。它們還可以實現其他有用的功能，如在電源軌開啟時進行壓擺率控制和超溫保護。

在其最簡單的應用中，負載開關用在電源和單個負載的電源軌之間，以便在需要時通過 PMIC 進行開啟，或進入靜態狀態以節省電力（圖 2）。

圖 2：在其最簡單的應用中，負載開關由 PMIC 控制，并控制流向負載的電流。（圖片來源：Toshiba）

負載開關參數

負載開關有幾個關鍵參數，設計人員必須評估。其中三個最重要的參數分別是最大輸入電壓、最大輸出電流和“導通”電阻。其他參數可能也很關鍵，具體取決于應用需要，包括：

靜態電流 (IQ)：為負載開關供電所需的電流，其輸出端沒有任何電流。

關斷（待機）電流 (ISD)：器件被禁用時流入 VIN 的電流。

ON 引腳輸入泄漏電流 (ION)：器件啟用時流入 ON/OFF 控制引腳的電流。

低靜態電流和關斷電流在電池供電型應用中越來越重要，如可穿戴設備、智能手機和物聯網模塊，它們對電池壽命和運行時間有很大影響。

過流保護

負載開關的過流保護功能不僅僅是為了保護明確的故障，如負載處的臨時或永久短路。也可能需要緩解輸出電壓下降的結果，在某些情況下，當一個電源軌為幾個負載供電時，就會出現輸出電壓下降，并且一個負載的開啟速度會更快（圖 3）。電流需求的突然增加會導致電源的輸出瞬間下降到其額定值以下。這個延遲或恢復期是由電源的負載瞬態性能和負載的具體情況決定的。

圖 3：一個負載開關可以給多個負載供電，這些負載可能不會同時啟動和開通。（圖片來源：Toshiba）

反過來，這種下降可能導致第二個負載不能正常啟動或行為不正常。由于這些原因，負載開關的限流功能是有用的，因為它可以緩和第一負載對電流需求增加所引起的輸出電壓下降。

許多系統需要確保其多個負載以特定的順序通電，并在每個電源軌進入活動狀態之間有確定的時間。在這些情況下，可以在 PMIC 控制下使用多個負載開關，管理它們的順序和相對時間（圖 4）。

圖 4：通過使用多個負載開關，可以根據需要控制各種負載的開啟順序和時間，以保證系統正常運行。（圖片來源：Bill Schweber）

反向電流阻斷

負載開關的反向電流阻斷正如其名稱所述的那樣：當輸出側的電壓高于輸入側時，它可以防止電流反向流動。

這可能是由于兩種常見的情況造成的。首先，由于斷開的電纜意外擦到了電池端子，甚至在重新連接時出錯，電源（如汽車電池）可能無意中被接反了。它甚至可能是像普通用戶把電池插反了這樣的基本錯誤。

第二種情況有些不太明顯。考慮兩個不同電壓的電源被復用到一個負載上的情況（圖 5）。共享輸出側的電壓可以變得比低電壓電源輸入側的電壓高。在這種情況下，電流可以從高電壓側流向低電壓側，從而損壞低電壓源。

圖 5：即使復用電源通過自己的負載開關連接，也會出現反向電流的問題。（圖片來源：Toshiba）

有三種方法來處理反向電流阻斷問題：

最簡單的方法是在輸出端串聯一個二極管。但是二極管上的電壓降（標準硅二極管為 0.6 伏至 0.8 伏）降低了供電軌電壓，而且二極管必須有足夠的額定功率來耗散相應的熱量。

第二種方法是使用一個 MOSFET 與電源軌串聯，但其導通電阻 (RON) 也會導致電壓降，而且其熱耗散要求必須得到滿足。

第三種選擇是使用具有反向電流阻斷功能的負載開關，它可以實現所需的防倒流對策，而不需要進行折衷。

放電功能

通常情況下，當電源多路復用器關閉時，自動放電功能會連接 VOUT 和 GND。擁有這種快速輸出放電功能有很多好處：

輸出不是浮動的，總是處于一個已知的狀態。

下游模塊總被完全關閉。

然而，在有些情況下，快速輸出放電是不可取的。

如果負載開關的輸出連接到電池上，當負載開關通過 ON 引腳被禁用時，快速的輸出放電會導致電池耗盡。

如果在一個兩輸入、一輸出的多路復用器中使用兩個負載開關（輸出被綁在一起），那么通過快速輸出放電就會不斷地浪費功率，因為只要負載開關通過 ON 引腳被禁用，電流就會流經內部電阻到地。

因此，在配置功率復用器與負載開關 IC 時，有必要選擇不具備放電功能的負載開關。這時就需要一個稱為真正反向電流阻斷的負載開關功能。它可以防止從輸出端流向輸入端的反向電流，而不管負載開關的 ON/OFF 狀態如何。

具有這種功能的負載開關將輸入電壓 VIN 與 IC 中的輸出電壓 VOUT 進行比較，當 VOUT>VIN 時，防倒流電路啟動（圖 6）。

圖 6：真正的反向電流阻斷可以防止電流從輸出端流向輸入端，無論負載開關是 ON 還是 OFF。（圖片來源：Toshiba）

與真正的反向電流阻斷和自動放電功能相關的微妙之處還有更多；在 Toshiba 應用說明“負載開關 IC 的過流保護功能和反向電流防止功能”中對這些微妙之處進行了更詳細的討論。

新型 IC 針對高增長應用

負載開關并不新鮮，但它們越來越多地要根據特定應用的要求來進行定制。Toshiba TCK12xBG 系列下一代負載開關明確地證明了這一點，該系列包括三個器件：TCK126BG、TCK127BG 和 TCK128BG（圖 7）。

圖 7：TCK12xBG 系列器件內部框圖顯示了其功能的簡單性；圖中所示為 TCK128BG。（圖片來源：Toshiba）

這三個 IC 的額定工作電壓為 1.0 至 5.5 伏，電流為1 A，它們非常相似，但有些地方稍有不同，以便其以最佳方式匹配特定應用的優先順序和需求。它們的許多規格都優于其前代產品和現有的競爭設備。

最突出的是靜態電流 (IQ) 的減少，從 110 納安 (nA) 降至僅 0.8 nA，減少了 99.9%，提升超過兩個數量級。此外，待機電流僅為 13 nA。典型導通電阻 RON 在 5.0 伏時為 46 mΩ，3.3 伏時為 58 mΩ，1.8 伏時為 106 mΩ，1.2 伏時為 210 mΩ。

這些負載開關的其他屬性均實現了電氣規格超越。它們也遠遠小于 Toshiba 和其他供應商提供的相同電壓/電流等級的其他可用器件。它們采用四引線 WCSP4G 封裝，尺寸為 0.645 × 0.645 × 0.465 mm，焊球間距為 0.35 mm。這意味著相比前代間距為 0.4 mm 的 0.79 × 0.79 × 0.55 mm 封裝，該負載開關減少了 34% 空間需要（圖 8）。

圖 8：與其前代產品相比，TCK12xBG 器件的尺寸較小，所需的電路板空間減少了 34%。（圖片來源：Toshiba，作者有修改）

這種小尺寸為設計人員節省了很大電路板空間，而這一點對于可穿戴設備等超小型應用來說至關重要。此外，該封裝有一個 25 微米 (μm) 的背面涂層，可以減少物理沖擊和損壞，防止崩裂。

該系列中的三個負載開關具有內置壓擺率控制驅動器，在 3.3 伏時上升時間為 363 微秒 (μs)。這些開關之間的區別在于是否有快速輸出放電功能，以及 ON/OFF 引腳的有效狀態（圖 9）。

　　零件編號制線是高電平有效還是低電平有效方面有所不同。（圖片來源：Toshiba）

結語

如果設計人員要滿足小型電池供電型設備（如可穿戴設備和智能手機）以及物聯網設備對低能耗、小尺寸和低成本的需求，具有高度集成功能的負載開關就顯得至關重要。如上所述，Toshiba 的 TCK12xBG 系列負載開關具有靜態電流低和尺寸更小的優勢，帶有滿足功能和保護要求的集成元件，并簡化了設計。