Load Switch，即為負(fù)載開關(guān)。基本原理是通過控制引腳實現(xiàn)對電源的打開和關(guān)斷。負(fù)載開關(guān)可用使用分離式器件搭建，也可以使用集成IC來實現(xiàn)。本篇文章將介紹下負(fù)載開關(guān)的基本原理參數(shù)以及分立式與集成式之間的對比。

原理

大部分負(fù)載開關(guān)包括4個引腳分為是控制引腳，輸入電壓引腳，輸出電壓引腳，接地引腳。其內(nèi)部核心器件就是開關(guān)管，現(xiàn)在一般是由MOSFET組成，可以是N-MOS也可以是P-MOS。

N-MOS/P-MOS架構(gòu)負(fù)載開關(guān)對比

常見的N-MOS負(fù)載開關(guān)如下，相對于P-MOS，使用N-MOS負(fù)載開關(guān)的一些特點：

• 同等體積下N-MOS能夠承受更高的電流

• 同等體積下N-MOS有較低的導(dǎo)通電阻

• 由于N-MOS需要保證柵極電壓大于源極電壓，所以需要外加電荷泵進(jìn)行升壓，元器件數(shù)量增加

• 靜態(tài)電流大

常見的P-MOS負(fù)載開關(guān)如下，目前絕大多數(shù)負(fù)載開關(guān)均使用P-MOS框架，其最大特點就是：控制簡單，不需要外置電荷泵升壓電路，靜態(tài)電流小。

常見分立式負(fù)載開關(guān)電路

1. 單PMOS

電路如下所示，使用單個PMOS管，其中ON控制引腳通過拉低將P-MOS管導(dǎo)通。

該電路下打開瞬間對應(yīng)的波形變化如下所示：

根據(jù)電路與波形圖該電路特點如下：

• 單個器件，電路簡單成本低

• 存在浪涌電流，導(dǎo)致輸入電壓瞬間拉低

• 對輸入電壓最大值一定限制

2. PMOS+NMOS/NPN

電路示意如下，使用NMOS/NPN控制引腳，當(dāng)ON拉高時P-MOS導(dǎo)通。

該電路下打開瞬間對應(yīng)的波形變化如下所示：

根據(jù)電路與波形圖該電路特點如下：

• 輸入電壓最大值沒有限制

• 存在浪涌電流，導(dǎo)致輸入電壓瞬間拉低

• 存在漏電流，漏電流路徑：VIN->電阻->MOS->GND

3. PMOS+NMOS/NPN+電容

電路示意如下，在方式2基礎(chǔ)上加一顆電容。可以增加啟動時間，減少浪涌電流。

該電路下打開瞬間對應(yīng)的波形變化如下所示：

根據(jù)電路與波形圖該電路特點如下：

• 浪涌電流得以控制

• 輸出電壓存在負(fù)電壓

• 輸入電壓上電時會存在短暫導(dǎo)通，形成浪涌電流

• 存在漏電流，漏電流路徑：VIN->電阻->MOS->GND

集成式負(fù)載開關(guān)電路

電路示意如下，內(nèi)部集成電路。復(fù)雜度降低，浪涌電流得到控制。

該電路下打開瞬間對應(yīng)的波形變化如下所示：

根據(jù)電路與波形圖該電路特點如下：

• 浪涌電流得到控制

• 外圍器件少，體積小

• 寬輸入電壓范圍

• 漏電流較小

• 快速放電控制（特定芯片）

• 價格較高

總結(jié)：通過以上對比分析，對分立式與集成式負(fù)載開關(guān)特點有了基本認(rèn)識了解。在實際設(shè)計過程中，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景設(shè)計該部分電路。

負(fù)載開關(guān)基本參數(shù)

• 導(dǎo)通電阻 R O N R_{ON} RON

該參數(shù)決定了負(fù)載開關(guān)的壓降和功耗， R O N R_{ON} RON越大，負(fù)載開關(guān)壓降越大，功耗越高。

• V I N V_{IN} VIN和 I M A X I_{MAX} IMAX

確定輸入電壓范圍，以及負(fù)載電流的大小。

• 關(guān)斷電流 I D I_D ID和靜態(tài)電流 I Q I_Q IQ

關(guān)斷電流是控制引腳ON被禁用時的電流，在一些電池供電場合，大部分場景負(fù)載開關(guān)是關(guān)斷狀態(tài)，這時候關(guān)斷電流指標(biāo)就很重要。靜態(tài)電流是負(fù)載開關(guān)接通無負(fù)載時自身消耗電流。

• 上升時間

上升時間因器件而異，根據(jù)具體應(yīng)用選擇。上升時間越短，浪涌電流較大。

• 快速輸出放電（QOD）

一些負(fù)載開關(guān)具有內(nèi)部電阻，該電阻會在開關(guān)關(guān)斷時將輸出拉至地，以避免輸出浮空。

• 浪涌電流

根據(jù)Q=CU，浪涌電流計算公式如下：

I I N R U S H = C L ? d V O U T d t I_{INRUSH}=C_L * \frac{dV_{OUT}}{dt} IINRUSH=CL?dtdVOUT

I I N R U S H I_{INRUSH} IINRUSH= C L C_L CL產(chǎn)生的浪涌電流的大小
C L C_L CL=VOUT上的總電容
d V O U T dV_{OUT} dVOUT=VOUT電壓變化
dt=VOUT電壓變化 d V O U T dV_{OUT} dVOUT所需要的時間

浪涌電流是由VOUT上的總電容和VOUT電壓變化率決定。因此，需要控制負(fù)載開關(guān)的上升時間。

• 功耗

輸入電壓和負(fù)載電流是計算負(fù)載開關(guān)功耗所必需的,計算公式如下，當(dāng)負(fù)載電流很大時，可以忽略 I Q I_Q IQ。

P D = V I N ? I Q + I L O A D 2 ? R O N P_D=V_{IN}*I_Q+I^2_{LOAD}*R_{ON} PD=VIN?IQ+ILOAD2?RON

參考

1. Basics of Load Switches

2. Integrated Load Switches versus Discrete MOSFETs