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(fù)載開關(guān)，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(fù)載開關(guān)提供一系列來自多個供應(yīng)商的性能參數(shù)和額定值，這使得應(yīng)用優(yōu)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(guān)斷概念，然后介紹合適的負(fù)載開關(guān)選項以及如何使用它們。

掉電選項

通過暫時關(guān)閉不需要的功能來最小化功耗是標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)策略。出于這個原因，許多IC具有用戶導(dǎo)向的超低功耗靜態(tài)模式。

然而，將IC置于靜態(tài)模式只會關(guān)閉IC而不是關(guān)聯(lián)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(shè)計人員常常轉(zhuǎn)向使用簡單的MOSFET來關(guān)閉整個子部分的電源。

即使通過使能控制線可關(guān)閉電源（LDO或開關(guān)）以降低其負(fù)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(jié)省可能很大，但即使在關(guān)機模式下，許多電源的泄漏電流也相對較大，因此節(jié)電可能不夠。

雖然使用適當(dāng)大小的MOSFET作為電源導(dǎo)軌開關(guān)開關(guān)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(guān)切換要求。此外，電路設(shè)計人員必須為MOSFET提供合適的柵極驅(qū)動器，這成為“待辦事項”列表中的另一項內(nèi)容，因此增加了設(shè)計復(fù)雜性，時間，空間和成本。

負(fù)載開關(guān)提供了“一體式”解決方案

一種更好的方法是使用“負(fù)載開關(guān)”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(shù)負(fù)載開關(guān)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(fù)載是一個四端器件，它將MOSFET和MOSFET驅(qū)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(dāng)負(fù)載開關(guān)通過ON引腳啟用時，通路FET導(dǎo)通，并允許電流從輸入（源）電壓引腳流向輸出（負(fù)載）電壓引腳。與基本MOSFET一樣，通過“開關(guān)”的直流電阻僅為幾毫歐（mΩ），所以電壓降低，相關(guān)的功耗也是如此。

負(fù)載開關(guān)不僅僅是一個MOSFET和一個驅(qū)動器，它可以通過簡單的邏輯電平信號來開啟/關(guān)閉。盡管單獨使用這種功能可能會使負(fù)載開關(guān)比采用單獨驅(qū)動器的MOSFET更好，但負(fù)載開關(guān)的功能更多（圖2）。

圖2：負(fù)載開關(guān)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(jiān)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(fù)載開關(guān)？有幾個原因：

整體驅(qū)動器管理對門極的充電和放電，從而提供MOSFET導(dǎo)通/關(guān)斷周期上升/下降時間的轉(zhuǎn)換速率控制。這可以優(yōu)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(guān)中MOSFET的導(dǎo)通時間，可以防止由于快速嘗試對負(fù)載電容充電導(dǎo)致的突入電流的突然增加而導(dǎo)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(tǒng)供電，則此問題會出現(xiàn)問題。

一些負(fù)載開關(guān)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(dāng)器件通過ON引腳禁用時，該模式被激活。這會使輸出節(jié)點放電，并防止輸出浮空，這會在負(fù)載電路未關(guān)閉到定義狀態(tài)時導(dǎo)致不需要的活動。

請注意，此功能有時不受歡迎：如果負(fù)載開關(guān)的輸出連接到電池，當(dāng)通過ON引腳禁用負(fù)載開關(guān)時，這種快速輸出放電會導(dǎo)致電池耗盡 - 這不是好事！因此，一些供應(yīng)商將其作為單個設(shè)備中的可選功能提供，而另一些供應(yīng)商提供兩種負(fù)載開關(guān)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(chǎn)品，但在不同情況下使用。

負(fù)載開關(guān)可以包含其他功能，例如熱關(guān)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(dǎo)軌上使用。這些保護功能有助于系統(tǒng)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(shè)計時間和房地產(chǎn)成本可以大大降低。

進一步來說，負(fù)載開關(guān)的使用并不局限于簡單的關(guān)閉以節(jié)省電力。通過使用一組負(fù)載開關(guān)，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(shù)字輸出控制下的規(guī)定序列和時序?qū)崿F(xiàn)（圖3）。以這種方式，負(fù)載開關(guān)充當(dāng)更廣泛和有效的電源管理控制方案的門控元件。

圖3：負(fù)載開關(guān)允許單電源驅(qū)動多個負(fù)載，每個負(fù)載都具有獨立的開啟/關(guān)閉和相對定時。（圖片來源：德州儀器）

請記住，負(fù)載開關(guān)在其輸入側(cè)需要一個電容（通常為1微法（μF）），以限制由流入放電負(fù)載電容的瞬態(tài)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(fù)載電容;如果負(fù)載小于這個值，應(yīng)該增加一個小的輸出電容。

加載開關(guān)參數(shù)

負(fù)載開關(guān)的性能屬性從用作開/關(guān)開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)FET開始。這些包括：

導(dǎo)通電阻（Ron）決定負(fù)載開關(guān)兩端的電壓降以及開關(guān)的功耗。典型值在幾十毫歐范圍內(nèi)，但會隨個別供應(yīng)商產(chǎn)品和負(fù)載開關(guān)電流容量而變化。設(shè)計者必須做一些基本的計算來確定應(yīng)用程序中的最大允許值。

最大電壓（Vin）和電流（Imax）額定值指定了開關(guān)可承受的電壓有多高以及最大電流有多大。設(shè)計師應(yīng)該檢查穩(wěn)態(tài)值以及這些因素的瞬態(tài)和峰值。

其他參數(shù)是靜態(tài)電流和關(guān)斷電流。靜態(tài)電流是負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通時負(fù)載開關(guān)所消耗的電流，因此成為浪費的功率。與負(fù)載本身消耗的功率相比，這可以忽略不計。關(guān)斷電流是當(dāng)開關(guān)處于關(guān)斷模式時從負(fù)載開關(guān)“泄漏”到負(fù)載的電流。

負(fù)載切換從簡單到復(fù)雜

用額外的功能的負(fù)載開關(guān)的一個很好的例子是NCP330從安森美半導(dǎo)體。這是一個基本的N溝道MOSFET負(fù)載開關(guān)，但它包括一個2毫秒的軟啟動模式，用于突發(fā)負(fù)載的應(yīng)用可能有害的情況。在有電池容量有限的移動應(yīng)用中，這通常是必需的（圖4）。

圖4：安森美半導(dǎo)體的NCP330負(fù)載開關(guān)包含一個2毫秒的回轉(zhuǎn)模式，因此負(fù)載不會突然連接到電源。這可以防止供應(yīng)和負(fù)載的各種操作和性能問題。（圖片來源：安森美半導(dǎo)體）

NCP330的導(dǎo)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(tǒng)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(nèi)部下拉電阻保持關(guān)閉狀態(tài)。還內(nèi)置反向電壓保護。

Vishay Siliconix提供SiP32408和SiP32409擺率控制負(fù)載開關(guān)（2.5 V 3.6 V時），設(shè)計用于1.1 V至5.5 V的操作。SIP32409與SiP32408相同，但具有快速關(guān)斷輸出放電電路。其中一個關(guān)鍵特性是其導(dǎo)通電阻（通常為42mΩ）在1.5至5伏的大部分電源范圍內(nèi)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(zhuǎn)換器（圖5）。

圖5：來自Vishay Siliconix的SiP32408和類似SiP32409負(fù)載開關(guān)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(guān)系。（圖片來源：Vishay Siliconix）

雖然負(fù)載開關(guān)在封裝引腳的數(shù)量和功能方面是相對簡單的器件，但是當(dāng)電流流動和可能的寄生效應(yīng)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(xì)規(guī)劃印刷電路板布局和元件布局，以實現(xiàn)負(fù)載開關(guān)（如SiP32408和SiP32409）的全部性能，以便地噪聲，寄生效應(yīng)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(fù)載開關(guān)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(dǎo)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(guān)處理4 A的連續(xù)電流，通態(tài)靜態(tài)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(guān)斷狀態(tài)電流為1μA。

圖8：TPS22970的基本應(yīng)用顯示了臨界輸入（源）電容和有時不必要的輸出（負(fù)載）電容;它還清楚地表明負(fù)載開關(guān)是簡單的四端設(shè)備。（圖片來源：德州儀器）

TPS22970具有150Ω的片內(nèi)電阻，可在開關(guān)禁用時快速放電輸出。這可以避免由負(fù)載看到浮動電源引起的任何未知狀態(tài)。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(shù)據(jù)表（長達(dá)25頁，用于四端設(shè)備）包含許多詳細(xì)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(guān)系（圖9）。

圖9：TPS22970的負(fù)載電阻為10Ω，負(fù)載電容為0.1μF時的上升時間（左）和下降時間（右）與溫度的關(guān)系。（圖片來源：德州儀器）

結(jié)論

MOSFET本身可以提供一個簡單的解決方案來打開和關(guān)閉DC，以最大限度地降低功耗，實現(xiàn)多個負(fù)載的排序以及控制電源時序。但是，集成了MOSFET，驅(qū)動器，擺率控制和各種形式的故障保護的負(fù)載開關(guān)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(fù)載開關(guān)提供一系列來自多個供應(yīng)商的性能參數(shù)和額定值，可以很好地適應(yīng)應(yīng)用優(yōu)先級和可用部件。