什么是负载开关，为什么需要负载开关？

集成负载开关是可用于开启和关闭系统中的电源轨的电子继电器。负载开关为系统带来许多其它优势，并且集成通常难以用分立元件实现的保护功能。负载开关可用于多种不同的应用，包括但不限于：

●配电
●上电排序和电源状态转换
●减小待机模式下的漏电流
●浪涌电流控制
●断电控制

1 什么是负载开关？

集成负载开关是可用于开启和关闭电源轨的集成电子继电器。大部分基本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。当通过ON 引脚使能器件时，导通FET 接通，从而使电流从输入引脚流向输出引脚，并且电能传递到下游电路。


图1. 常规负载开关电路图

1.1 常规负载开关框图

了解负载开关的架构对于确定负载开关的规范很有帮助。图2所示为基本负载开关的框图，该负载开关包括五个基本模块。可以包含更多模块以向负载开关添加功能。


图2. 常规负载开关框图

1. 导通FET 是负载开关的主要元件，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。

1.2 负载开关的常见数据表参数和定义

●输入电压范围(VIN) – 这是负载开关可支持的输入电压范围。
●偏置电压范围(VBIAS) – 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(IMAX) – 这是负载开关可支持的最大连续直流电流。
●导通状态电阻(RON) – 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(IQ) – 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(ISD) – 这是禁用器件时流入VIN 的电流量。
●ON 引脚输入漏电流(ION) – 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(RPD) – 这是禁用器件时从VOUT 到GND 的下拉电阻值。

下面将概述一些可以通过使用负载开关获得好处的应用。
        
2 为什么需要负载开关

本部分将概述一些可以通过使用负载开关获得好处的应用。

2.1 配电

许多系统对子系统配电的控制有限。如图3 所示，可使用负载开关来接通和关断输入电压相同的子系统，而不使用多个DC/DC转换器或LDO。使用负载开关后，可通过对各个负载的控制在不同负载间进行配电。


图3. 配电框图

2.2 上电排序和电源状态转换

在某些系统（尤其是带有处理器的系统）中，必须遵循严格的上电时序。通过使用GPIO 或I2C 接口，负载开关成为可实现满足上电要求的上电排序的简单解决方案。负载开关可提供每个电源路径的独立控制，从而简化上电排序的负载点控制，如图4 所示。


图4. 使用负载开关的上电排序

2.3 降低漏电流

在许多设计中，存在只在特定工作模式期间使用的子系统。可以使用负载开关关闭这些子系统的电源来限制漏电流量和功耗。图5 显示了使用和不使用负载开关时的漏电流对比情况。有关详细信息，请参见输入和输出电容部分。


图5. 使用和不使用负载开关时的漏电流对比情况

在一些应用中，可禁用电路（如DC/DC转换器、LDO 和模块）并将其置于待机模式。但即使是处于关断状态，这些模块的漏电流也相对较高。如上图所示，在负载前面放置一个负载开关可显著减小漏电流。因此，在电源路径中放置一个负载开关可大幅降低功耗。
        
2.4 浪涌电流控制

在没有任何转换率控制的情况下开启子系统时，可能会由于负载电容快速充电产生浪涌电流而导致输入轨下陷。由于此输入轨可能正在为其它子系统供电，因此这会引发问题（图6）。负载开关可以通过控制输出电压的上升时间来消除输入电压的下陷，从而解决此问题（图7）。


图6. 导致电源电压突降的浪涌电流


图7. 使用负载开关的转换率控制

2.5 断电控制

当不带快速输出放电功能的DC/DC 转换器或LDO 关闭时，负载电压保持浮空，断电取决于负载，如图8所示。这可能导致出现预想外的动作，因为下游模块并未在断电后到达指定状态。


图8. 未使用负载开关时的不受控断电

使用带快速输出放电功能的负载开关可缓解这些问题。负载将以受控方式快速断电，并将复位为已知的良好状态以备下次上电，如图9 所示。这将消除负载上的任何浮空电压并确保其始终处于定义的电源状态。


图9. 使用负载开关时的受控断电
        
2.6 保护特性

某些应用可能需要负载开关中集成故障保护功能。一些负载开关包括反向电流保护、ON 引脚滞后、限流、欠压锁定和过热保护等集成功能。与通过离散元件实现这些复杂电路不同，使用集成负载开关可减少物料清单数量、减小解决方案尺寸并缩短开发时间。下面简要介绍了其中一些功能：

●反向电流保护功能将阻止电流从VOUT 引脚流向VIN 引脚。如果没有此功能，当二极管压降导致VOUT 上的电压高于VIN 上的电压时，电流可能从VOUT 引脚流向VIN 引脚。因此，反向电流阻断可使某些应用获益，如电流不应从VOUT 流向VIN 的电源多路复用器应用。有许多不同的方法可实现反向电流保护。在某些情况下，器件（如TPS22912）将监视VIN 引脚和VOUT 引脚上的电压。当此差分电压超出特定阈值时，开关将被禁用，同时体二极管断开以防止出现流向VIN 的反向电流。某些器件（如TPS22963C）只有在被禁用时才具有反向电流保护功能。
●ON 引脚滞后功能可使GPIO 使能更稳定。由于ON 引脚上存在逻辑高电平与逻辑低电平的电压差，即使GPIO 线上出现噪声，控制电路也将按预期工作。图10 说明了ON 引脚滞后如何为GPIO 使能线提供稳定性。
●限流功能将限制负载开关输出的电流量。这将确保外部电路不会拉过量的电流。如果电流不受限制，外部电路可能会使主系统停止工作。在限流模式下，负载开关提供连续电流，直至开关电流降至电流限值以下。
●欠压锁定(UVLO) 用于在VIN 电压降至阈值以下时关闭器件，以确保下游电路不会因为供电电压低于预期值而损坏。
●过热保护功能可在器件温度超出阈值温度时禁用开关。凭借此功能，器件可用作在检测到高温时关断的安全开关。


图10. ON 引脚滞后

2.7 减少BOM 数量和PCB 面积

使用集成负载开关可减少系统的BOM数量。如果有离散FET与其它元件配合使用，则可以考虑使用负载开关来减少系统中的元件总数。分离创建负载开关时，将需要多个电阻、电容和晶体管来实现栅极驱动器、控制逻辑、输出放电和保护功能。而采用集成负载开关，只需单个器件便可实现全部功能，从而显著降低BOM数量。