如何利用IC負載開關的特性來安全地降低功耗
為了最大限度地降低功耗，一個簡單的MOSFET通常用于為未使用的電路提供電源。然而，更好的選擇是使用負載開關，因為它具有額外的功能來處理電源軌管理的許多微妙和變幻莫測的問題。
負載開關提供一系列來自多個供應商的性能參數和額定值，這使得應用優先級和可用部件之間的配合良好。
本文將簡要討論IC和電路關斷概念，然后介紹合適的負載開關選項以及如何使用它們。
掉電選項
通過暫時關閉不需要的功能來最小化功耗是標準的系統策略。出于這個原因，許多IC具有用戶導向的超低功耗靜態模式。
然而，將IC置于靜態模式只會關閉IC而不是關聯電路，其中包括其他功耗耗散無源器件（主要是電阻器）以及有源分立器件，如晶體管。因此，設計人員常常轉向使用簡單的MOSFET來關閉整個子部分的電源。
即使通過使能控制線可關閉電源（LDO或開關）以降低其負載子電路的空閑模式功耗，也可能需要此MOSFET。原因在于，雖然節省可能很大，但即使在關機模式下，許多電源的泄漏電流也相對較大，因此節電可能不夠。
雖然使用適當大小的MOSFET作為電源導軌開關開關確實可行，但MOSFET單獨提供的功能和功能很少，并且通常無法支持其他開/關切換要求。此外，電路設計人員必須為MOSFET提供合適的柵極驅動器，這成為“待辦事項”列表中的另一項內容，因此增加了設計復雜性，時間，空間和成本。
負載開關提供了“一體式”解決方案
一種更好的方法是使用“負載開關”IC，這是一種通路元件MOSFET，并在小型封裝中增加了額外的電源管理功能。大多數負載開關只有4個引腳，每個引腳有一個用于輸入電壓，輸出電壓，邏輯電平使能和接地（圖1）。
圖1：基本負載是一個四端器件，它將MOSFET和MOSFET驅動器集成在一個易于使用的封裝中。（圖片來源：德州儀器）
操作非常簡單：當負載開關通過ON引腳啟用時，通路FET導通，并允許電流從輸入（源）電壓引腳流向輸出（負載）電壓引腳。與基本MOSFET一樣，通過“開關”的直流電阻僅為幾毫歐（mΩ），所以電壓降低，相關的功耗也是如此。
負載開關不僅僅是一個MOSFET和一個驅動器，它可以通過簡單的邏輯電平信號來開啟/關閉。盡管單獨使用這種功能可能會使負載開關比采用單獨驅動器的MOSFET更好，但負載開關的功能更多（圖2）。
圖2：負載開關通常具有其他功能，包括放電控制，擺率控制，各種形式的保護和故障監視。（圖片來源：Vishay Siliconix）
除了邏輯電平控制功能外，為什么還要使用負載開關？有幾個原因：
整體驅動器管理對門極的充電和放電，從而提供MOSFET導通/關斷周期上升/下降時間的轉換速率控制。這可以優化MOSFET性能，避免過沖和振鈴，并將不合需要的EMI /RFI降至最低。
此外，通過控制開關中MOSFET的導通時間，可以防止由于快速嘗試對負載電容充電導致的突入電流的突然增加而導致輸入電壓軌下垂。如果相同的輸入軌還為其他必須保持充分供電的子系統供電，則此問題會出現問題。
一些負載開關通過輸出和地之間的片上電阻提供快速輸出放電（QOD）功能; 當器件通過ON引腳禁用時，該模式被激活。這會使輸出節點放電，并防止輸出浮空，這會在負載電路未關閉到定義狀態時導致不需要的活動。
請注意，此功能有時不受歡迎：如果負載開關的輸出連接到電池，當通過ON引腳禁用負載開關時，這種快速輸出放電會導致電池耗盡 - 這不是好事！因此，一些供應商將其作為單個設備中的可選功能提供，而另一些供應商提供兩種負載開關的變體，一種具有它，另一種不具備。前一種選項允許將多個相同部件用于單個產品，但在不同情況下使用。
負載開關可以包含其他功能，例如熱關斷，欠壓閉鎖，電流限制和反向電流保護等，這些功能都可以在電源和導軌上使用。這些保護功能有助于系統級完整性。
與開始使用基本MOSFET來切換電源軌并增加這些功能相比，整體BOM，設計時間和房地產成本可以大大降低。
進一步來說，負載開關的使用并不局限于簡單的關閉以節省電力。通過使用一組負載開關，單個較大的電源可以為多個電路子部分供電，這些子部分的上/下功率通過多個數字輸出控制下的規定序列和時序實現（圖3）。以這種方式，負載開關充當更廣泛和有效的電源管理控制方案的門控元件。
圖3：負載開關允許單電源驅動多個負載，每個負載都具有獨立的開啟/關閉和相對定時。（圖片來源：德州儀器）
請記住，負載開關在其輸入側需要一個電容（通常為1微法（μF）），以限制由流入放電負載電容的瞬態涌入電流引起的輸入電源電壓降。他們還需要“看到”一個約為輸入電容值十分之一的負載電容; 如果負載小于這個值，應該增加一個小的輸出電容。
加載開關參數
負載開關的性能屬性從用作開/關開關的標準FET開始。這些包括：
導通電阻（R on）決定負載開關兩端的電壓降以及開關的功耗。典型值在幾十毫歐范圍內，但會隨個別供應商產品和負載開關電流容量而變化。設計者必須做一些基本的計算來確定應用程序中的最大允許值。
最大電壓（V in）和電流（I max）額定值指定了開關可承受的電壓有多高以及最大電流有多大。設計師應該檢查穩態值以及這些因素的瞬態和峰值。
其他參數是靜態電流和關斷電流。靜態電流是負載開關導通時負載開關所消耗的電流，因此成為浪費的功率。與負載本身消耗的功率相比，這可以忽略不計。關斷電流是當開關處于關斷模式時從負載開關“泄漏”到負載的電流。
負載切換從簡單到復雜
用額外的功能的負載開關的一個很好的例子是NCP330從安森美半導體。這是一個基本的N溝道MOSFET負載開關，但它包括一個2毫秒的軟啟動模式，用于突發負載的應用可能有害的情況。在有電池容量有限的移動應用中，這通常是必需的（圖4）。
圖4：安森美半導體的NCP330負載開關包含一個2毫秒的回轉模式，因此負載不會突然連接到電源。這可以防止供應和負載的各種操作和性能問題。（圖片來源：安森美半導體）
NCP330的導通電阻非常低，只有30mΩ，因此非常適合用于以3安培（A）（5 A峰值）充電的系統電池。如果電源連接到Vin引腳（高電平有效），則1.8 V至5.5 V器件將自動啟用。如果沒有輸入電壓，它通過一個內部下拉電阻保持關閉狀態。還內置反向電壓保護。
Vishay Siliconix提供SiP32408和SiP32409擺率控制負載開關（2.5 V 3.6 V時），設計用于1.1 V至5.5 V的操作。SIP32409與SiP32408相同，但具有快速關斷輸出放電電路。其中一個關鍵特性是其導通電阻（通常為42mΩ）在1.5至5伏的大部分電源范圍內保持平坦。另一個屬性是控制使能電壓也很低，所以它可以用在低電壓電路中而不需要電平轉換器（圖5）。
圖5：來自Vishay Siliconix的SiP32408和類似SiP32409負載開關的控制使能信號低和高邏輯電平閾值與輸入電壓之間的關系。（圖片來源：Vishay Siliconix）
雖然負載開關在封裝引腳的數量和功能方面是相對簡單的器件，但是當電流流動和可能的寄生效應時，布局仍然是個問題。出于這個原因，最好使用公司建議的印刷電路板布局（圖6）以及1×1英寸（2.5×2.5厘米）評估板的頂部和底部布局（圖7）。
圖6：需要仔細規劃印刷電路板布局和元件布局，以實現負載開關（如SiP32408和SiP32409）的全部性能，以便地噪聲，寄生效應和電流不會影響最大性能。（圖片來源：Vishay Siliconix）
圖7：除了展示SiP32408和SiP32409的首選印制電路板布局外，Vishay Siliconix還為這些器件的小型評估板提供布局。（圖片來源：Vishay Siliconix）
在越來越常見的較低電壓下使用的負載開關是德州儀器（Texas Instruments ）的TPS22970，它可以在低至0.65 V至3.6 V的輸入電壓下工作（圖8）。導通電阻也很低，從1.8 V輸入典型4.7mΩ，在0.65 V時略微上升到6.4mΩ。該開關處理4 A的連續電流，通態靜態電流為30μA（典型值）輸入電壓為1.2 V，輸入電壓高于1.8 V時的關斷狀態電流為1μA。
圖8：TPS22970的基本應用顯示了臨界輸入（源）電容和有時不必要的輸出（負載）電容; 它還清楚地表明負載開關是簡單的四端設備。（圖片來源：德州儀器）
TPS22970具有150Ω的片內電阻，可在開關禁用時快速放電輸出。這可以避免由負載看到浮動電源引起的任何未知狀態。在輸入電壓分別為3.6伏和0.65伏時，擺率控制的開啟時間分別為1.5毫秒（ms）和0.8毫秒。全面的數據表（長達25頁，用于四端設備）包含許多詳細的表格和圖表，可以從各種角度全面表征其性能。例如，它顯示了四個輸入電壓中每一個的上升和下降時間與溫度的關系（圖9）。
圖9：TPS22970的負載電阻為10Ω，負載電容為0.1μF時的上升時間（左）和下降時間（右）與溫度的關系。（圖片來源：德州儀器）
結論
MOSFET本身可以提供一個簡單的解決方案來打開和關閉DC，以最大限度地降低功耗，實現多個負載的排序以及控制電源時序。但是，集成了MOSFET，驅動器，擺率控制和各種形式的故障保護的負載開關通常是更好的選擇，因為它可以在單個小尺寸器件中提供所有這些額外功能。
負載開關提供一系列來自多個供應商的性能參數和額定值，可以很好地適應應用優先級和可用部件。
負載開關提供一系列來自多個供應商的性能參數和額定值，這使得應用優先級和可用部件之間的配合良好。
本文將簡要討論IC和電路關斷概念，然后介紹合適的負載開關選項以及如何使用它們。
掉電選項
通過暫時關閉不需要的功能來最小化功耗是標準的系統策略。出于這個原因，許多IC具有用戶導向的超低功耗靜態模式。
然而，將IC置于靜態模式只會關閉IC而不是關聯電路，其中包括其他功耗耗散無源器件（主要是電阻器）以及有源分立器件，如晶體管。因此，設計人員常常轉向使用簡單的MOSFET來關閉整個子部分的電源。
即使通過使能控制線可關閉電源（LDO或開關）以降低其負載子電路的空閑模式功耗，也可能需要此MOSFET。原因在于，雖然節省可能很大，但即使在關機模式下，許多電源的泄漏電流也相對較大，因此節電可能不夠。
雖然使用適當大小的MOSFET作為電源導軌開關開關確實可行，但MOSFET單獨提供的功能和功能很少，并且通常無法支持其他開/關切換要求。此外，電路設計人員必須為MOSFET提供合適的柵極驅動器，這成為“待辦事項”列表中的另一項內容，因此增加了設計復雜性，時間，空間和成本。
負載開關提供了“一體式”解決方案
一種更好的方法是使用“負載開關”IC，這是一種通路元件MOSFET，并在小型封裝中增加了額外的電源管理功能。大多數負載開關只有4個引腳，每個引腳有一個用于輸入電壓，輸出電壓，邏輯電平使能和接地（圖1）。
圖1：基本負載是一個四端器件，它將MOSFET和MOSFET驅動器集成在一個易于使用的封裝中。（圖片來源：德州儀器）
操作非常簡單：當負載開關通過ON引腳啟用時，通路FET導通，并允許電流從輸入（源）電壓引腳流向輸出（負載）電壓引腳。與基本MOSFET一樣，通過“開關”的直流電阻僅為幾毫歐（mΩ），所以電壓降低，相關的功耗也是如此。
負載開關不僅僅是一個MOSFET和一個驅動器，它可以通過簡單的邏輯電平信號來開啟/關閉。盡管單獨使用這種功能可能會使負載開關比采用單獨驅動器的MOSFET更好，但負載開關的功能更多（圖2）。
圖2：負載開關通常具有其他功能，包括放電控制，擺率控制，各種形式的保護和故障監視。（圖片來源：Vishay Siliconix）
除了邏輯電平控制功能外，為什么還要使用負載開關？有幾個原因：
整體驅動器管理對門極的充電和放電，從而提供MOSFET導通/關斷周期上升/下降時間的轉換速率控制。這可以優化MOSFET性能，避免過沖和振鈴，并將不合需要的EMI /RFI降至最低。
此外，通過控制開關中MOSFET的導通時間，可以防止由于快速嘗試對負載電容充電導致的突入電流的突然增加而導致輸入電壓軌下垂。如果相同的輸入軌還為其他必須保持充分供電的子系統供電，則此問題會出現問題。
一些負載開關通過輸出和地之間的片上電阻提供快速輸出放電（QOD）功能; 當器件通過ON引腳禁用時，該模式被激活。這會使輸出節點放電，并防止輸出浮空，這會在負載電路未關閉到定義狀態時導致不需要的活動。
請注意，此功能有時不受歡迎：如果負載開關的輸出連接到電池，當通過ON引腳禁用負載開關時，這種快速輸出放電會導致電池耗盡 - 這不是好事！因此，一些供應商將其作為單個設備中的可選功能提供，而另一些供應商提供兩種負載開關的變體，一種具有它，另一種不具備。前一種選項允許將多個相同部件用于單個產品，但在不同情況下使用。
負載開關可以包含其他功能，例如熱關斷，欠壓閉鎖，電流限制和反向電流保護等，這些功能都可以在電源和導軌上使用。這些保護功能有助于系統級完整性。
與開始使用基本MOSFET來切換電源軌并增加這些功能相比，整體BOM，設計時間和房地產成本可以大大降低。
進一步來說，負載開關的使用并不局限于簡單的關閉以節省電力。通過使用一組負載開關，單個較大的電源可以為多個電路子部分供電，這些子部分的上/下功率通過多個數字輸出控制下的規定序列和時序實現（圖3）。以這種方式，負載開關充當更廣泛和有效的電源管理控制方案的門控元件。
圖3：負載開關允許單電源驅動多個負載，每個負載都具有獨立的開啟/關閉和相對定時。（圖片來源：德州儀器）
請記住，負載開關在其輸入側需要一個電容（通常為1微法（μF）），以限制由流入放電負載電容的瞬態涌入電流引起的輸入電源電壓降。他們還需要“看到”一個約為輸入電容值十分之一的負載電容; 如果負載小于這個值，應該增加一個小的輸出電容。
加載開關參數
負載開關的性能屬性從用作開/關開關的標準FET開始。這些包括：
導通電阻（R on）決定負載開關兩端的電壓降以及開關的功耗。典型值在幾十毫歐范圍內，但會隨個別供應商產品和負載開關電流容量而變化。設計者必須做一些基本的計算來確定應用程序中的最大允許值。
最大電壓（V in）和電流（I max）額定值指定了開關可承受的電壓有多高以及最大電流有多大。設計師應該檢查穩態值以及這些因素的瞬態和峰值。
其他參數是靜態電流和關斷電流。靜態電流是負載開關導通時負載開關所消耗的電流，因此成為浪費的功率。與負載本身消耗的功率相比，這可以忽略不計。關斷電流是當開關處于關斷模式時從負載開關“泄漏”到負載的電流。
負載切換從簡單到復雜
用額外的功能的負載開關的一個很好的例子是NCP330從安森美半導體。這是一個基本的N溝道MOSFET負載開關，但它包括一個2毫秒的軟啟動模式，用于突發負載的應用可能有害的情況。在有電池容量有限的移動應用中，這通常是必需的（圖4）。
圖4：安森美半導體的NCP330負載開關包含一個2毫秒的回轉模式，因此負載不會突然連接到電源。這可以防止供應和負載的各種操作和性能問題。（圖片來源：安森美半導體）
NCP330的導通電阻非常低，只有30mΩ，因此非常適合用于以3安培（A）（5 A峰值）充電的系統電池。如果電源連接到Vin引腳（高電平有效），則1.8 V至5.5 V器件將自動啟用。如果沒有輸入電壓，它通過一個內部下拉電阻保持關閉狀態。還內置反向電壓保護。
Vishay Siliconix提供SiP32408和SiP32409擺率控制負載開關（2.5 V 3.6 V時），設計用于1.1 V至5.5 V的操作。SIP32409與SiP32408相同，但具有快速關斷輸出放電電路。其中一個關鍵特性是其導通電阻（通常為42mΩ）在1.5至5伏的大部分電源范圍內保持平坦。另一個屬性是控制使能電壓也很低，所以它可以用在低電壓電路中而不需要電平轉換器（圖5）。
圖5：來自Vishay Siliconix的SiP32408和類似SiP32409負載開關的控制使能信號低和高邏輯電平閾值與輸入電壓之間的關系。（圖片來源：Vishay Siliconix）
雖然負載開關在封裝引腳的數量和功能方面是相對簡單的器件，但是當電流流動和可能的寄生效應時，布局仍然是個問題。出于這個原因，最好使用公司建議的印刷電路板布局（圖6）以及1×1英寸（2.5×2.5厘米）評估板的頂部和底部布局（圖7）。
圖6：需要仔細規劃印刷電路板布局和元件布局，以實現負載開關（如SiP32408和SiP32409）的全部性能，以便地噪聲，寄生效應和電流不會影響最大性能。（圖片來源：Vishay Siliconix）
圖7：除了展示SiP32408和SiP32409的首選印制電路板布局外，Vishay Siliconix還為這些器件的小型評估板提供布局。（圖片來源：Vishay Siliconix）
在越來越常見的較低電壓下使用的負載開關是德州儀器（Texas Instruments ）的TPS22970，它可以在低至0.65 V至3.6 V的輸入電壓下工作（圖8）。導通電阻也很低，從1.8 V輸入典型4.7mΩ，在0.65 V時略微上升到6.4mΩ。該開關處理4 A的連續電流，通態靜態電流為30μA（典型值）輸入電壓為1.2 V，輸入電壓高于1.8 V時的關斷狀態電流為1μA。
圖8：TPS22970的基本應用顯示了臨界輸入（源）電容和有時不必要的輸出（負載）電容; 它還清楚地表明負載開關是簡單的四端設備。（圖片來源：德州儀器）
TPS22970具有150Ω的片內電阻，可在開關禁用時快速放電輸出。這可以避免由負載看到浮動電源引起的任何未知狀態。在輸入電壓分別為3.6伏和0.65伏時，擺率控制的開啟時間分別為1.5毫秒（ms）和0.8毫秒。全面的數據表（長達25頁，用于四端設備）包含許多詳細的表格和圖表，可以從各種角度全面表征其性能。例如，它顯示了四個輸入電壓中每一個的上升和下降時間與溫度的關系（圖9）。
圖9：TPS22970的負載電阻為10Ω，負載電容為0.1μF時的上升時間（左）和下降時間（右）與溫度的關系。（圖片來源：德州儀器）
結論
MOSFET本身可以提供一個簡單的解決方案來打開和關閉DC，以最大限度地降低功耗，實現多個負載的排序以及控制電源時序。但是，集成了MOSFET，驅動器，擺率控制和各種形式的故障保護的負載開關通常是更好的選擇，因為它可以在單個小尺寸器件中提供所有這些額外功能。
負載開關提供一系列來自多個供應商的性能參數和額定值，可以很好地適應應用優先級和可用部件。
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