針對便攜設備的高端負載開關及其關鍵應用參數(shù)

1、針對便攜設備的高端負載開關及其關鍵應用參數(shù)對于各具特色的移動電話、移動設備和消費小玩意等電池供電的便攜式設備應用來說，高端負載開關向來受到眾多工程師和設計人員的青睞。本文將以易于理解的非數(shù)學方式全方位介紹基于的高端負載開關，并研究在設計和挑選過程中必需考慮的各種參數(shù)。高端負載開關的定義是：它通過外部使能信號的控制來銜接或斷開至特定負載的電源(電池或適配器)。相比低端負載開關，高端負載開關“流出”至負載，而低端負載開關則將負載接地或者與地斷開，因此它從負載“汲入”電流。高端負載開關不同于高端電源開關。高端電源開關管理輸出電源，因此通常會限制其輸出電流。相反地，高端負載開關將輸入和電流傳遞給“負載

2、”，并且它不具備電流限制功能。高端負載開關包含三個部分：傳輸元件：本質(zhì)上是一個晶體管，通常為一個增加型mosfet。傳輸元件在線性區(qū)工作，將電流從電源傳輸至負載，就像一個“開關”(與相對應)。柵極控制：向傳輸元件的柵極提供電壓來控制導通或關斷。它還被稱為電平轉換電路，外部使能信號通過電平轉換來產(chǎn)生足夠高或者足夠低的柵極電壓(偏置電壓)來全面控制傳輸元件的導通和關斷。輸入規(guī)律電路：主要功能是說明使能信號，并觸發(fā)柵極控制電路來控制傳輸元件的導通和關斷。傳輸元件傳輸元件是高端開關最基本的組成部分。最常?？紤]的參數(shù)，特殊是開關導通時的阻抗(rdson)，與傳輸元件的結構和特性有挺直關系。因為增加型mo

3、sfet普通在工作期間消耗的電流較少，在關斷期間泄漏的電流也較少，并且具有比雙極晶體管更高的熱穩(wěn)定性，所以被廣泛用作高端負載開關中的傳輸元件。本文將特地介紹基于增加型mosfet的傳輸元件。增加型mosfet傳輸元件可以是n溝道fet，也可以是p溝道fet。當n溝道fet的柵極電壓(vg)比其源極電壓(vs)和漏極電壓(vd)高出一個閾值(vt)時，n溝道fet就會被徹低轉換至導通狀態(tài)或者工作于其線性區(qū)。以下式子給出了導通條件的數(shù)學表達式：vgvsvgsvtvgvtvd或者是，vgsvtvds其中，vg為柵極電壓、vs為源極電壓、vd為漏極電壓、vt為fet的閾值電壓、vgs為柵源極壓降、vd

4、s為漏源極壓降，全部參數(shù)均為正。圖1：具有內(nèi)置電荷泵的n溝道fet高端負載開關。當n溝道fet導通時，漏極電流id為正，從漏極流向源極(1和圖2所示)。當p溝道fet的柵極電壓(vg)比其源極電壓(vs)和漏極電壓(vd)低出一個閾值(vt)時，p溝道fet就會被徹低轉換至導通狀態(tài)或者工作于其線性區(qū)：圖2：具有額外vbias輸入的n溝道fet高端負載開關。vsvgvsgvtvdvtvg或者是， vsgvtvsd其中，vg為柵極電壓、vs為源極電壓、vd為漏極電壓、vt為fet的閾值電壓、vsg為源柵極壓降、vsd為源漏極壓降，這里的全部參數(shù)也均為正的。當p溝道fet處于導通狀態(tài)時，漏極電流id

5、為負，從源極流向漏極(圖3)。n溝道fet將電子用作“多數(shù)載流子”，與p溝道fet的“多數(shù)載流子”空穴相比，電子具有更高的移動率。這意味著，在相同的物理密度下，n溝道fet比p溝道fet具有更高的跨導，從而使得在導通狀態(tài)期間產(chǎn)生較低的漏源極阻抗(即rdson)。n溝道fet的rdson普通為相同尺寸的p溝道fet的rdson的1/3"1/2，漏極電流id也會高出相應的倍數(shù)(未考慮銜接線厚度和封裝等其它限制參數(shù))。這還表示，對于相同的rdson和id，n溝道fet普通需要較少的硅片，因此它的柵極和閾值電壓比p溝道fet要低。圖3：p溝道fet高端負載開關。此外，因為當開關導通時n溝道f

6、et的vd比vg低vt，并且vd普通與vin相連，因此有可能傳遞給負載的vin十分低。理論上講，n溝道fet開關的vin可以低至臨近gnd，并且不高于vg-vt。另一方面，p溝道fet開關傳遞給負載的vin(與vs相連)總是高于vg+vt。但這并不表示在任何狀況下挑選傳輸元件時n溝道fet都比p溝道fet好。如上所述，n溝道fet的一個基本屬性是開關導通時工作在線性區(qū)，vg要比vd高vt。但是，因為vd幾乎總是與vin(通常是開關的最高電壓)相連，因此vg必需從現(xiàn)有電壓(如外部使能信號en)舉行由低向高的電平轉換，或者通過直流偏移舉行從低向高的偏置，直流偏移是單個新的高壓軌，通常被稱為“vbi

7、as”。假如柵極電壓從使能信號舉行從低向高的電平轉換，通常需要一個電荷泵作為附加的內(nèi)部電路。電荷泵需要一個內(nèi)置的，芯片上起碼需要一個“迅速”(flying)，從而產(chǎn)生柵極電壓(通常是在導通過程中的多個使能信號)。這固然增強了設計復雜性和硅片大小，從而抵消了n溝道fet因rdson較低所帶來的硅片縮小的優(yōu)勢。當負載電流相對較低(幾安培)時，電荷泵的確會增強硅片面積，并且增強的面積比rdson所能縮小的面積要大，這使得n溝道開關解決計劃的成本和設計復雜性要高于p溝道開關計劃。更多詳情1所示。假如柵極電壓通過直流偏移vbias舉行從低向高的偏置，就不再需要電荷泵，從而硅片面積的增強也不再是主要問題。

8、但是因為可能不具備額外的高壓軌(這是大多數(shù)電池供電的設置和器件都需要的)，因此這可能不是系統(tǒng)級的最佳解決計劃(圖2)。而在p溝道fet中，vg通常低于vs(與vin相連)。只要開關導通時vs保持在vg±vt的范圍，那么它將始終工作在線性區(qū)，并且不需要特定的內(nèi)部電路或外部電壓軌。這是通過采納柵極控制電路將使能信號的電平從高向低轉換至適當?shù)膙g電平來實現(xiàn)的。此計劃不需要太多的電路或者額外的硅片面積(見圖3)。n溝道高端負載開關通常是要求極低rdson的高功率系統(tǒng)或者要求將臨近gnd的低vin傳遞給負載的低輸入電壓系統(tǒng)的抱負挑選。另一方面，p溝道高端負載開關在要求設計復雜度不高的低功率系統(tǒng)

9、或者要求將高vin傳遞給負載的高輸入電壓系統(tǒng)中具有一定優(yōu)勢。柵極控制柵極控制電路或者電平轉換電路通過控制mosfet的vg來實現(xiàn)其導通或關斷。柵極控制電路的輸出由從輸入規(guī)律電路收到的輸入挺直打算。在導通期間，柵極控制電路的主要任務是對使能信號舉行電平轉換，以產(chǎn)生高(n溝道)或低(p溝道)vg來徹低導通開關。同樣，在關斷期間，柵極控制電路產(chǎn)生低(n溝道)或高(p溝道)vg來徹低關斷開關。許多高端負載開關都在柵極控制電路中采納“斜率控制”或“軟啟動”功能。斜率控制功能可以在開關導通時限制vg的升高速度，從而逐步產(chǎn)生id。其目的是為了庇護負載不受過多“電涌”的影響，電涌有可能導致栓鎖等故障。負載有時

10、不僅僅具有阻抗性，也會具有高容性。因此，當開關關斷時，聚攏在容性負載上的電荷不會快速放電，這會導致負載沒有徹低關斷。為了避開這種狀況，一些高端負載開關加入了“活動負載放電”功能，其目的是提供一個電流通路，在開關關斷時使容性負載快速放電。通常采納一個小型低端fet來實現(xiàn)該功能。圖4是該辦法的暗示圖，其中，底部n溝道fet的柵極與柵極控制內(nèi)核相連，漏極與負載相連，當頂部的主開關p溝道fet關斷時，底部的n溝道fet導通，以使容性負載放電。圖4：mic94060/1/2/3p溝道高端負載開關產(chǎn)品結構圖。輸入規(guī)律輸入規(guī)律電路的唯一功能是說明使能信號，并將正確的規(guī)律電平傳遞給柵極控制電路，以便柵極控制電

11、路能夠以輸入規(guī)律電平控制傳輸元件的導通和關斷。輸入規(guī)律電路只采納下拉就可以實現(xiàn)。在某些狀況下，使能信號和柵極控制電路之間需要緩沖器。這是由于使能信號無法為柵極控制電路提供足夠的驅(qū)動電流來驅(qū)動vg，而緩沖器卻可以充當額外驅(qū)動電流的來源。關鍵應用參數(shù)工程師在設計中采納高端負載開關時需要考慮一些關鍵應用參數(shù)。第一個關鍵參數(shù)是id。這是在設計周期早期挑選的系統(tǒng)級參數(shù)。高端負載開關的id由mosfet物理特性(n溝道或p溝道)、mosfet的尺寸、銜接線的物理特性(長度和厚度)以及封裝的熱性能等參數(shù)打算。通常，高id開關為n溝道，采納熱增加型封裝，而低id開關為p溝道，采納小型封裝。其次個關鍵參數(shù)為rd

12、son。當選定id時，rdson越低就越好。這是由于較低的rdson可以提高總效率、降低vin和負載之間的壓降并減輕開關的散熱壓力。表1：n溝道fet開關和p溝道fet開關的比較。假如id和rdson都已確定，設計人員通常會考慮開關的以下四個關鍵參數(shù)：動態(tài)響應、關斷電源電流、關斷泄漏電流和封裝尺寸。對于高端負載開關，動態(tài)響應是指負載電壓隨著使能信號規(guī)律電平的變幻從gnd升至vout(=vin-rdson×id)或者從vout降至gnd所用的時光。當使能信號在傳揚延遲或?qū)ㄑ舆t時光(ton_dly)之后使能時(由柵極控制電路和輸入規(guī)律電路引起)，vg將轉換至導通開關所需的足夠高(或足夠

13、低)的電平。此時，負載上的輸出電壓(n溝道fet開關的輸出電壓為vs，p溝道fet開關的輸出電壓為vd)開頭升高，電壓達到滿vout所用的時光稱為導通升高時光(ton_rise)。要求迅速響應的應用需要ton_dly和ton_rise足夠短，而需要軟件啟動來限制電涌的應用則要求ton_dly和ton_rise相對較長，這取決于系統(tǒng)要求。同樣，當使能信號在傳揚延遲或關斷延遲時光(ton_dly)之后使能無效時，vg將轉換至關斷開關所需的足夠低(或足夠高)的電平。此時，負載上的輸出電壓從滿vout開頭下降，電壓下降到gnd所用的時光稱為關斷下降時光(toff_fail)。通常要求toff_dly和

14、toff_fail足夠短，以便負載能夠快速被關斷。假如負載具有較大的容性元件，活動負載放電功能將有助于減小toff_fail。關斷電源電流和關斷泄漏電流也是需要考慮的重要參數(shù)，特殊是在設計需要較長的電池工作時光的電池供電設備時。關斷電源電流是內(nèi)部電路在開關關斷時消耗的電流。關斷泄漏電流是開關關斷時mosfet傳遞給輸出的電流。關斷電源電流和關斷泄漏電流越低，系統(tǒng)總效率就越高。對于電池供電的應用，這可以獲得更長的電池工作時光。對于封裝尺寸(管腳面積和形狀輪廓)而言，很顯然是越小越好。特殊是對于空間有限的低電流系統(tǒng)(電池供電的手持設備)中用法的p溝道開關，狀況更是如此。micrel公司提供一套完整的p溝道fet高端負載開關，目標市場為電池供電的便攜式設備。最新成員mic94060/1/2/3產(chǎn)品系列擁有業(yè)內(nèi)率先的