负载开关的发展概况

负载开关基本电路

功率MOSFET是一种具有良好开关特性的器件：导通时其导通电阻RDS(ON)很小；在关断时其漏电流IDSS很小。另外，它的耐压范围很宽，从几十V到几百V，漏极电源范围宽，从几A到几十A，所以非常适合作负载开关。

N沟道MOSFET可以组成最简单的负载开关，如图1所示。负载接在电源与漏极之间（负载可以是直流电动机、散热风扇、大功率LED、白炽灯泡或螺管线圈等）。在其栅极上加一个逻辑高电平，则N-MOSFET导通，负载得电；在其栅极加一个逻辑低电平，则N-MOSFET关断，负载失电。

图1 用MOSFET组成的负载开关

从图1可以看出，负载开关接是在电源与负载之间，用逻辑电平来控制通、断，使负载得电或失电的功率器件。由于开关在负载的下边，一般称为低端负载开关。

如果负载是一个要求接地的电路（如功率放大电路、发射电路或接收电路等），则低端负载开关不能用，要采用高端负载开关。高端负载开关主要由P沟道MOSFET组成，如图2所示。图2(a)是由一个P-MOSFET与一个反相器组成的，图2(b)是由一个P-MOSFET与一个N-MOSFET组成的。开关在负载的上面，称高端负载开关。

图2 高端负载开关

以图2(a)来说明其工作原理。在反相器输入端输入逻辑高电平时，其输出端为低电平，反相器的输出端与P-MOSFET的栅极连接，则使-VGS≈VIN，P-MOSFET导通，负载得电；若反相器输入端输入逻辑低电平，反相器输出高电平，则使其-VGS≈0V，P-MOSFET关断，负载失电。一般在输入端往往接一下拉电阻，其目的是使负载开关在无控制信号输入时处于可靠的关断状态。

图2(b)的工作原理与图2(a)相同，读者可自行分析。

图3 负载开关接负载电路

如果在负载开关与负载之间接了一个大容量电容，如图3所示。当这电容的等效串联电阻非常小时，在负载开关导通的瞬间，有较大的瞬态电流（冲击电流，如图3右图所示）流过开关管。为减小冲击电流，在负载开关中增加了C1及R2，如图4所示。当负载开关在导通后的瞬间，输入电压经P管后加在C1及R2上（Q1的导通电阻略而不计），其电压主要降在R2上，减小了-VGS，减小ID电流，即减小冲击电流。C1≤1000pF，R1=10～47kΩ，R2=1～4.7kΩ。

图4 负载开关基本电路

图2、图4是负载开关的基本电路。由于电路十分简单，可以由分立元件组成，但目前有现成的集成电路，使应用更方便，占PCB面积也更小。

负载开关的发展

从负载开关基本电路来看，其特点是结构简单，缺点是缺少过热保护（负载有局部短路或输出有短路）。在有短路时不仅负载、负载开关损坏，并且由于电源过载关断会使整个装置、系统不能正常工作。因此近年来，人们根据负载开关的应用状况作了不少的改进，改善了性能、提高了工作可靠性、增加了功能。

1 在安全保护方面

①在负载开关中增加过热关闭电路。如果有发生负载局部短路或短路情况时，使负载开关的管芯温度超过过热阈值温度（如125℃），则过热关闭电路起作用将负载开关切断。不仅阻止了负载更大的损坏，也使电源不因负载短路而影响向其他电路供电。在过热故障发生时，负载开关还输出故障信号（给微处理器μP）以告知故障的存在。另外还有输入欠压锁存保护功能。

②在负载开关中增加限流电路。负载开关中没电流检测及限流输出电路。它有两种结构：限制电流值是工厂设定的；限制电流可由用户外设一个电阻设定。发生过流状态时，负载开关输出故障信号。

具有限流输出的负载开关，不仅提高了工作的可靠性及安全性，并且这种负载开关还可以用作功率分配开关、热插拔插座、USB端口。有的负载开关在过流时便输出锁存（无输出），则这种负载开关可看作"电子保险丝"在排除过流故障后，重新启动后可正常工作。有的负载开关在过流时，以限制的电流（恒流）继续给负载供电。

2 在开关性能方面

随着半导体工艺技术的进步，单个分立器件MOSFET的导通电阻逐年下降，导通电阻小的可做到几mΩ。集成负载开关中的MOSFET导通电阻稍大，目前可做到几十mΩ左右。为了改善开关的性能，使开关慢启动（慢启动是指开关接通时，其电压上升率是一个斜坡，防止有过大的冲击电流）、快关断。电压上升的斜率有几种：由工厂设定几种斜率（启动时间不同），供用户选择；由用户在器件外设一电容，设定其启动时间。为了快速关断开关，在负载开关中设有关断时输出有放电电路，如图5所示。在负载开关关断时，N-MOSFET导通，电容往N管放电，加速关断时间。

图5 负载开关中的输出有效放电电路

3 其他方面

为了适应便携式电子产品对负载开关的应用需要，在以下几方面作了改进：工作电压适合电池供电电压，一般为  1.8～5.5V或1.2～5.5V；为满足更低的电压，最低输入电压为0.8V；减少静态电流，一般为几μA（静态电流大小与负载开关内部的电路负载程度有关），典型值为1μA。个别较简单的负载开关，其静态电流IQ=25μA；输出电流一般0.2～6A，可满足各种便携式的要求；为满足便携式体积小的要求，负载开关采用小尺寸封装，一般采用SOT-23封装、2mm×2mm的MLP或MLF封装、SC-70封装，最小的采用6焊球BGA封装，其封装尺寸仅为1.5mm×1.0mm；在电源关断时，无反向电流。

应用流域的扩展

负载开关是一种通用功率开关器件，过去主要应用于工业控制及汽车工业等。近年来，随着便携式电子产品的发展，如PDA、手机、数码相机等纤巧产品大量上市，为了节省电能，除了应用高效率的电源管理IC外，还需要多个负载开关，并由微处理器进行控制组成负载管理（在不同的工作状态时，给有用的负载供电，将不用的负载统统关断）。图6就是一种负载管理的结构示意图。在图中，电源管理IC有5路输出（3路DC/DC转换器、2路LDO）。DC/DC1的输出供3个并联的负载1～负载3。为了控制负载1～3的通电或断电，在DC/DC1与3个负载之间加接了3个负载开关（负载开关1～3），其控制端接微处理器I/O口，由微处理器控制其通、断来实现负载管理。

作者：北京航空航天大学 方佩敏   来源：今日电子