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負載開關技術的發展在現代應用的電源管理中發揮重要作用

    电源是推动我们现代世界技术的命脉,我们越来越依赖高科技产品在忙碌的工作中和工作外的生活中帮助我们。管理和控制电源是高科技、低功耗应用的一个重要主题。无论是为更大的设备开发复杂的多轨电源系统,还是利用电池供电设备的最后一小部分电量,電源管理都是设计人员的首要优先项目。

  在大大小小的系统中,负载开关在電源管理和负载保护中发挥重要作用。在为特定应用选择负载开关时有一些因素要考虑,此外,现在还可以使用一些性能和功能得以改进的新器件。

  任何負載開關的主要功能是連接/斷開電源和負載。可采用僅使用一個簡單的通路MOSFET的分立方案來實現這個功能;但全集成的負載開關器件通常比分立方案小,減少了器件的數量,並且提供更強大的功能,包括對過溫、欠電壓和過電流故障條件的檢測和保護等功能。有時還包括反向電流保護,使任何試圖從負載流向源的電流被阻斷。這對于許多應用使用的最新的供電標准USB-C尤其有用。
  

圖1:典型的集成負載開關框圖


  所有集成負載開關至少包括四個引腳——VIN、VOUT、GND和EN(Enable),盡管通常添加其他引腳以支持更多功能並爲系統輸出提供保護功能,如圖1所示。

  除了提供簡單的開關控制和保護外,負載開關還可通過控制Vout來控制負載導通的速度。通過控制FET柵的充電,在Vout的上升時間控制浪湧電流。此軟啓動保護負載不受負載與電源的無控制連接所造成的電流尖峰的影響,特別是在負載不是純電阻的情況下。

  有些負載開關還包含一個泄漏電阻器,支持存儲在負載中任何能量的快速放電,在負載開關關斷時,消除負載電源引腳上的浮動節點。

  負載開關系統使用和配置

  負載開關最常見的一個應用是管理系統中獨立的電源域。該控制在電池供電設備中特別有用,防止任何不必要的能量消耗對獲得最長的電池運行時間至關重要。
 

圖2:負載開關可管理多個負載域的電力傳輸


  負載開關可用于控制系統中被劃分爲邏輯域的各個部分的功率,如圖2所示。在實際使用中,只需要很短時間的部分,如傳感器或發射/接收電路,只在需要激活的短時間內接通電源。

  此外,針對單個負載有多個電源的系統,如圖3所示,可使用負載開關。在這樣的系統中,可以控制負載的功率傳輸,例如,從主電源或備用電池供電。
 

圖3:電源多路複用支持單個負載利用多個電源


  複雜的系統通常需要多個電源軌,在許多情況下,這些軌道必須按照一定的順序工作,以便系統正常運行。例如,可能有必要在啓用無線電發射機前完全啓動核心處理器,以避免混淆或難以理解的傳輸。

  虽然可以使用外部微控制器来实现上电序列,从而以正确的时序启用负载开关,但如果使用“power good”输出,负载开关还可以提供独立序列,如图4所示。通过将一个负载开关的Power Good引脚链接到下一个负载开关的EN引脚,可“菊链(daisy chained)”多个负载开关。如果相位间需要更大的延迟,则可添加一个电容器到接地控制线以增加延迟。

  爲應用選擇合適的負載開關

  目前有許多類型的負載開關,爲設計人員在爲特定應用選擇器件時提供廣泛的選擇。雖然最初選擇起來似乎很困難,但通過考慮六個主要參數,評估選項並找到最佳器件就相對簡單了。

  能效很重要,而且通常是在應用中使用負載開關的一個關鍵原因。設計人員應密切關注所考慮器件的導通電阻RON。開關電阻越低,工作時從VIN到VOUT的壓降越低,從而降低了負載開關的功耗和散熱。

  在器件最大允許負載電流和輸入電壓(VIN)範圍方面,需要針對應用指定正確的額定值。雖然確保針對應用有足夠的額定電流,但應注意額定值不要過高,因爲更大的FET有更高的門極電容,需要更多的能量才能導通。此外,更高額定值的器件也可能更大,更昂貴。

  静态电流(负载开关开启时使用的能量)应尽可能低,就像任何漏电流 (负载开关MOSFET关断时从电源到负载的电流) 一样低。

  最後,對于特定應用,響應速度對于開關所需的時間以及任何故障保護操作的時間都至關重要。該響應時間受MOSFET尺寸的影響,器件尺寸越大,需要更多的電荷,因此運行速度越慢。同樣,過度設計過大的FET會導致更差的瞬態性能。

  ecoSWITCH? - 全面的负载开关系列

  安森美半導體的ecoSWITCHTM系列負載管理器件爲設計人員提供目前同類最佳的導通電阻RON。該系列包括20多個不同的産品,並隨著安森美半導體推出新的負載開關還在不斷壯大陣容。

  NCP45560仅是ecoSWITCH系列之中的其中一个器件。该器件采用省空间的3mm x 3 mm DFN12封装,能持续高能效地开关达24A的电流,导通电阻低至4.1mΩ。NCP45560极其适用于要求小占位方案的電源管理和热插拔应用,结合许多保护功能,同时比分立方案大大节省空间和成本。

  總結

  隨著電源需求變得越來越複雜,對小型便攜式電池供電設備盡可能高能效工作的要求在增長,負載開關越來越受歡迎,因爲它使設計人員能實現高能效、精密的電源方案,即使是在最小的設備中。

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