負(fù)載開關(guān)基本電路及發(fā)展概況

負(fù)載開關(guān)基本電路
功率MOSFET是一種具有良好開關(guān)特性的器件：導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通電阻RDS(ON)很小；在關(guān)斷時(shí)其漏電流IDSS很小。另外，它的耐壓范圍很寬，從幾十V到幾百V，漏極電源范圍寬，從幾A到幾十A，所以非常適合作負(fù)載開關(guān)。

N溝道MOSFET可以組成最簡單的負(fù)載開關(guān)，如圖1所示。負(fù)載接在電源與漏極之間（負(fù)載可以是直流電動(dòng)機(jī)、散熱風(fēng)扇、大功率LED、白熾燈泡或螺管線圈等）。在其柵極上加一個(gè)邏輯高電平，則N-MOSFET導(dǎo)通，負(fù)載得電；在其柵極加一個(gè)邏輯低電平，則N-MOSFET關(guān)斷，負(fù)載失電。

圖1 用MOSFET組成的負(fù)載開關(guān)

從圖1可以看出，負(fù)載開關(guān)接是在電源與負(fù)載之間，用邏輯電平來控制通、斷，使負(fù)載得電或失電的功率器件。由于開關(guān)在負(fù)載的下邊，一般稱為低端負(fù)載開關(guān)。

如果負(fù)載是一個(gè)要求接地的電路（如功率放大電路、發(fā)射電路或接收電路等），則低端負(fù)載開關(guān)不能用，要采用高端負(fù)載開關(guān)。高端負(fù)載開關(guān)主要由P溝道MOSFET組成，如圖2所示。圖2(a)是由一個(gè)P-MOSFET與一個(gè)反相器組成的，圖2(b)是由一個(gè)P-MOSFET與一個(gè)N-MOSFET組成的。開關(guān)在負(fù)載的上面，稱高端負(fù)載開關(guān)。

圖2 高端負(fù)載開關(guān)

以圖2(a)來說明其工作原理。在反相器輸入端輸入邏輯高電平時(shí)，其輸出端為低電平，反相器的輸出端與P-MOSFET的柵極連接，則使-VGS≈VIN，P-MOSFET導(dǎo)通，負(fù)載得電；若反相器輸入端輸入邏輯低電平，反相器輸出高電平，則使其-VGS≈0V，P-MOSFET關(guān)斷，負(fù)載失電。一般在輸入端往往接一下拉電阻，其目的是使負(fù)載開關(guān)在無控制信號(hào)輸入時(shí)處于可靠的關(guān)斷狀態(tài)。

圖2(b)的工作原理與圖2(a)相同，讀者可自行分析。

圖3 負(fù)載開關(guān)接負(fù)載電路

如果在負(fù)載開關(guān)與負(fù)載之間接了一個(gè)大容量電容，如圖3所示。當(dāng)這電容的等效串聯(lián)電阻非常小時(shí)，在負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通的瞬間，有較大的瞬態(tài)電流（沖擊電流，如圖3右圖所示）流過開關(guān)管。為減小沖擊電流，在負(fù)載開關(guān)中增加了C1及R2，如圖4所示。當(dāng)負(fù)載開關(guān)在導(dǎo)通后的瞬間，輸入電壓經(jīng)P管后加在C1及R2上（Q1的導(dǎo)通電阻略而不計(jì)），其電壓主要降在R2上，減小了-VGS，減小ID電流，即減小沖擊電流。C1≤1000pF，R1=10～47kΩ，R2=1～4.7kΩ。

圖4 負(fù)載開關(guān)基本電路

圖2、圖4是負(fù)載開關(guān)的基本電路。由于電路十分簡單，可以由分立元件組成，但目前有現(xiàn)成的集成電路，使應(yīng)用更方便，占PCB面積也更小。

負(fù)載開關(guān)的發(fā)展
從負(fù)載開關(guān)基本電路來看，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是缺少過熱保護(hù)（負(fù)載有局部短路或輸出有短路）。在有短路時(shí)不僅負(fù)載、負(fù)載開關(guān)損壞，并且由于電源過載關(guān)斷會(huì)使整個(gè)裝置、系統(tǒng)不能正常工作。因此近年來，人們根據(jù)負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用狀況作了不少的改進(jìn)，改善了性能、提高了工作可靠性、增加了功能。

1 在安全保護(hù)方面
①在負(fù)載開關(guān)中增加過熱關(guān)閉電路。如果有發(fā)生負(fù)載局部短路或短路情況時(shí)，使負(fù)載開關(guān)的管芯溫度超過過熱閾值溫度（如125℃），則過熱關(guān)閉電路起作用將負(fù)載開關(guān)切斷。不僅阻止了負(fù)載更大的損壞，也使電源不因負(fù)載短路而影響向其他電路供電。在過熱故障發(fā)生時(shí)，負(fù)載開關(guān)還輸出故障信號(hào)（給微處理器μP）以告知故障的存在。另外還有輸入欠壓鎖存保護(hù)功能。

②在負(fù)載開關(guān)中增加限流電路。負(fù)載開關(guān)中沒電流檢測(cè)及限流輸出電路。它有兩種結(jié)構(gòu)：限制電流值是工廠設(shè)定的；限制電流可由用戶外設(shè)一個(gè)電阻設(shè)定。發(fā)生過流狀態(tài)時(shí)，負(fù)載開關(guān)輸出故障信號(hào)。

具有限流輸出的負(fù)載開關(guān)，不僅提高了工作的可靠性及安全性，并且這種負(fù)載開關(guān)還可以用作功率分配開關(guān)、熱插拔插座、USB端口。有的負(fù)載開關(guān)在過流時(shí)便輸出鎖存（無輸出），則這種負(fù)載開關(guān)可看作“電子保險(xiǎn)絲”在排除過流故障后，重新啟動(dòng)后可正常工作。有的負(fù)載開關(guān)在過流時(shí)，以限制的電流（恒流）繼續(xù)給負(fù)載供電。

2 在開關(guān)性能方面
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，單個(gè)分立器件MOSFET的導(dǎo)通電阻逐年下降，導(dǎo)通電阻小的可做到幾mΩ。集成負(fù)載開關(guān)中的MOSFET導(dǎo)通電阻稍大，目前可做到幾十mΩ左右。為了改善開關(guān)的性能，使開關(guān)慢啟動(dòng)（慢啟動(dòng)是指開關(guān)接通時(shí)，其電壓上升率是一個(gè)斜坡，防止有過大的沖擊電流）、快關(guān)斷。電壓上升的斜率有幾種：由工廠設(shè)定幾種斜率（啟動(dòng)時(shí)間不同），供用戶選擇；由用戶在器件外設(shè)一電容，設(shè)定其啟動(dòng)時(shí)間。為了快速關(guān)斷開關(guān)，在負(fù)載開關(guān)中設(shè)有關(guān)斷時(shí)輸出有放電電路，如圖5所示。在負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時(shí)，N-MOSFET導(dǎo)通，電容往N管放電，加速關(guān)斷時(shí)間。

圖5 負(fù)載開關(guān)中的輸出有效放電電路

3 其他方面
為了適應(yīng)便攜式電子產(chǎn)品對(duì)負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用需要，在以下幾方面作了改進(jìn)：工作電壓適合電池供電電壓，一般為? 1.8～5.5V或1.2～5.5V；為滿足更低的電壓，最低輸入電壓為0.8V；減少靜態(tài)電流，一般為幾μA（靜態(tài)電流大小與負(fù)載開關(guān)內(nèi)部的電路負(fù)載程度有關(guān)），典型值為1μA。個(gè)別較簡單的負(fù)載開關(guān)，其靜態(tài)電流IQ=25μA；輸出電流一般0.2～6A，可滿足各種便攜式的要求；為滿足便攜式體積小的要求，負(fù)載開關(guān)采用小尺寸封裝，一般采用SOT-23封裝、2mm×2mm的MLP或MLF封裝、SC-70封裝，最小的采用6焊球BGA封裝，其封裝尺寸僅為1.5mm×1.0mm；在電源關(guān)斷時(shí)，無反向電流。

應(yīng)用流域的擴(kuò)展
負(fù)載開關(guān)是一種通用功率開關(guān)器件，過去主要應(yīng)用于工業(yè)控制及汽車工業(yè)等。近年來，隨著便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，如PDA、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等纖巧產(chǎn)品大量上市，為了節(jié)省電能，除了應(yīng)用高效率的電源管理IC外，還需要多個(gè)負(fù)載開關(guān)，并由微處理器進(jìn)行控制組成負(fù)載管理（在不同的工作狀態(tài)時(shí)，給有用的負(fù)載供電，將不用的負(fù)載統(tǒng)統(tǒng)關(guān)斷）。圖6就是一種負(fù)載管理的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖中，電源管理IC有5路輸出（3路DC/DC轉(zhuǎn)換器、2路LDO）。DC/DC1的輸出供3個(gè)并聯(lián)的負(fù)載1～負(fù)載3。為了控制負(fù)載1～3的通電或斷電，在DC/DC1與3個(gè)負(fù)載之間加接了3個(gè)負(fù)載開關(guān)（負(fù)載開關(guān)1～3），其控制端接微處理器I/O口，由微處理器控制其通、斷來實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。

圖6 負(fù)載管理結(jié)構(gòu)拓?fù)?

負(fù)載開關(guān)增加電流限制功能后，可用作計(jì)算機(jī)外設(shè)供電端口（USB），并且可做成熱插拔電源插座，也可做成功率分配開關(guān)。

圖7 輸出限制電流可調(diào)節(jié)的USB端口電路

圖7是一種輸出限制電流可調(diào)節(jié)的USB端口電路。該電路由MIC2008作功率分配開關(guān)，由USB控制器對(duì)功率分配開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制。限定的電流由外設(shè)電阻R來設(shè)定（限制電流范圍為0.2～2.0A）。該功率分配開關(guān)的輸出電壓上升率（啟動(dòng)時(shí)間）可由外設(shè)電容C來設(shè)定，內(nèi)部有過熱保護(hù)及輸入電壓過低時(shí)輸出鎖存保護(hù)。

典型負(fù)載開關(guān)簡介
近年來，FAIRCHILD公司、ANALOGIC TECH公司、MICREL公司等相繼開發(fā)出多種新型負(fù)載開關(guān)。由于這些負(fù)載開關(guān)功能較全，所以被稱為“全接觸”或“智能開關(guān)”。這里簡單地介紹FAIRCHILD公司的FPF2163/4/5及ANALOGIC TECH公司的AAT4297負(fù)載開關(guān)。

1 FPF2163/4/5系列
FPF2163/4/5系列負(fù)載開關(guān)是一種輸出電流可設(shè)定的多功能負(fù)載開關(guān)。該系列主要特點(diǎn)：輸入電壓1.8～5.5V；限定電流可設(shè)定范圍為0.15～1.5A；輸入電壓低于閾值電壓時(shí)，輸出鎖存（UVLO）；有過熱關(guān)閉；靜態(tài)電流最大值為77μA（典型值），開關(guān)關(guān)斷時(shí)耗電小于2μA；發(fā)生欠壓鎖存、過熱、過流故障時(shí)，有故障信號(hào)輸出；開關(guān)關(guān)斷時(shí)無反向電流；小尺寸FET-6封裝（2mm×2mm）；工作溫?上有一些差別，如表1所示。用戶可根據(jù)產(chǎn)品的要求選擇。

該系列負(fù)載開關(guān)主要用于PDA、手機(jī)、GPS、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、外設(shè)端口及熱插拔電源等。FPF2164可用作“電子保險(xiǎn)絲”。

圖8 FPF2163/4/5引腳排列

該系列引腳排列如圖8所示，其典型應(yīng)用電路如圖9所示。

圖9 FPF2163/4/5典型應(yīng)用電路

在圖9中，輸入電容CIN為1μF，輸出電容COUT為0.1μF，10kΩ為故障信號(hào)輸出的上拉電阻（內(nèi)部為開漏輸出結(jié)構(gòu)），RSET為限流設(shè)定電阻，設(shè)定的限流電流ILIM與RSET的關(guān)系為：
RSET=275.6/ILIM

式中，RSET的單位為Ω，ILIM的單位為A。設(shè)定的限制電流有一定的允差，允差范圍為±25%。
在ON端加邏輯高電平（VIN=1.8V時(shí)＞0.8V，VIN=5.5V時(shí)＞1.4V）時(shí)開關(guān)導(dǎo)通；在ON端加邏輯低電平（VIN =1.8V時(shí)＜0.5V，VIN=5.5V時(shí)＜1V）時(shí)，開關(guān)關(guān)斷。

2 AAT4297
AAT4297是一種用于手機(jī)控制LED的負(fù)載開關(guān)。在手機(jī)中有不少LED，它們用作單色或彩色LCD顯示屏的背光照明、鍵盤的照明及相機(jī)的LED閃光燈。有一些雙顯示屏的副屏及鍵盤的背光可以改變其顏色以滿足客戶的不同喜愛。這一些LED的不同工作狀態(tài)可采用一種新型控制LED的負(fù)載開關(guān)進(jìn)行管理，這就是AAT4297。它除用于手機(jī)外，還可以用于多路小功率負(fù)載開關(guān)、個(gè)人通信裝置及其他便攜式電子產(chǎn)品的負(fù)載管理。
該器件主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍為1.8～5.5V；內(nèi)部有6個(gè)低端N溝通MOSFET開關(guān)，每個(gè)開關(guān)都是獨(dú)立的；可采用單個(gè)串行控制線（S2C線）對(duì)各個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)通、斷控制；靜態(tài)電流少，典型值為3μA；每個(gè)開關(guān)可驅(qū)動(dòng)208mA；無須其他外圍元件；12引腳TSOP封裝；工作溫度范圍-40～+85℃。

圖10? AAT4297的引腳框圖

該器件的結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。EN/SET為使能/開關(guān)選擇端，與μP的串行口連接，輸入6位數(shù)字信號(hào)（000000～111111）后置高電平，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)開關(guān)64種不同的通、斷狀態(tài)。VCC輸入?? 1.8～5.5V電壓，S1～S6為各開關(guān)的漏極（開漏輸出結(jié)構(gòu)），外接LED負(fù)載。如果輸入6位數(shù)字信號(hào)都是1后置高，外接6個(gè)LED（LED1～LED6）都亮；若輸入的數(shù)字信號(hào)是010011，則LED1、LED3、LED4滅，LED5、LED6亮，當(dāng)EN/SET端入信號(hào)由高電平變成低電平時(shí)，則所有亮的LED都滅。

圖11 AAT4297典型應(yīng)用電路

其典型應(yīng)用電路如圖11所示。S1～S3接三基色（RGB）LED，RR、RG、RB、為各色LED的限流電阻。利用紅、綠、藍(lán)三種不同發(fā)光顏色的組合，可以產(chǎn)生7種不同的顏色。例如，紅、綠、藍(lán)三種LED以一定的發(fā)光強(qiáng)度亮?xí)r，可產(chǎn)生白光；紅、綠兩LED亮?xí)r可產(chǎn)生橙色光。如果有需要也可并接多個(gè)RGB LED。S4接D1～D4白光LED，它用作彩色主顯示屏背光照明，S6接閃光燈LED，作相機(jī)閃光燈用。
根據(jù)手機(jī)的不同工作狀態(tài)，由μP向EW/SET輸入不同的數(shù)字信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)LED的負(fù)載管理。數(shù)字信號(hào)的頻率可高達(dá)1MHz。利用輸入EN/SET信號(hào)使LED亮的時(shí)間與滅的時(shí)間交替進(jìn)行，改變亮、滅的時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)。

從圖11看出，僅用μP一條串行控制線就可以對(duì)所有LED負(fù)載實(shí)現(xiàn)管理，并可改變背光顏色及調(diào)節(jié)亮度，這個(gè)LED負(fù)載開關(guān)器件的功能及性能是很不錯(cuò)的，它是時(shí)尚手機(jī)中常用的負(fù)載管理IC。