負(fù)載開關(guān)是一款內(nèi)置P溝道MOSFET,自帶ON/OFF功能和輸出電流保護(hù)功能的低消耗電流負(fù)載開關(guān)。它能夠控制供電電路的時序,并帶有CL放電電路,因此在使用多個電源的應(yīng)用中,能限度地有效合理地分配電源,大大提高了電池的使用時間,延長使用壽命。
導(dǎo)通電阻 0.75Ω@VIN=2.9V(TYP.)
1.15Ω@VIN=1.8V (TYP.)
輸出電流 200mA(300mA限流TYP.)
輸入電壓范圍 1.8V～6.0V(額定值:6.5V)
低消耗電流 3.0μA@ VIN=1.8V
待機電流 0.1μA
保護(hù)電路 定電流限流300mA(TYP.)
短路保護(hù) 短路電流30mA(TYP.)
ON/OFF功能 高電平ON
采用USP-4封裝,并且不需要電容等外部元件,有助于實現(xiàn)電源電路的小型化,大大節(jié)省了空間。
CE端輸入低電壓時,芯片處于節(jié)電模式,如果此時輸出端接有電容,在節(jié)電模式下,內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通,能實現(xiàn)電容高速放電,使VOUT端電壓快速回歸到VSS程度。
內(nèi)置Foldback型過電流保護(hù)電路,能在輸出端出現(xiàn)過電流和短路時提供保護(hù)。
功率MOSFET是一種具有良好開關(guān)特性的器件：導(dǎo)通時其導(dǎo)通電阻RDS(ON)很��；在關(guān)斷時其漏電流IDSS很小。另外，它的耐壓范圍很寬，從幾十V到幾百V，漏極電源范圍寬，從幾A到幾十A，所以非常適合作負(fù)載開關(guān)。
N溝道MOSFET可以組成最簡單的負(fù)載開關(guān)，如圖1所示。負(fù)載接在電源與漏極之間（負(fù)載可以是直流電動機、散熱風(fēng)扇、大功率LED、白熾燈泡或螺管線圈等）。在其柵極上加一個邏輯高電平，則N-MOSFET導(dǎo)通，負(fù)載得電；在其柵極加一個邏輯低電平，則N-MOSFET關(guān)斷，負(fù)載失電。
圖1 用MOSFET組成的負(fù)載開關(guān)
從圖1可以看出，負(fù)載開關(guān)接是在電源與負(fù)載之間，用邏輯電平來控制通、斷，使負(fù)載得電或失電的功率器件。由于開關(guān)在負(fù)載的下邊，一般稱為低端負(fù)載開關(guān)。
如果負(fù)載是一個要求接地的電路（如功率放大電路、發(fā)射電路或接收電路等），則低端負(fù)載開關(guān)不能用，要采用高端負(fù)載開關(guān)。高端負(fù)載開關(guān)主要由P溝道MOSFET組成，如圖2所示。圖2(a)是由一個P-MOSFET與一個反相器組成的，圖2(b)是由一個P-MOSFET與一個N-MOSFET組成的。開關(guān)在負(fù)載的上面，稱高端負(fù)載開關(guān)。
圖2 高端負(fù)載開關(guān)
以圖2(a)來說明其工作原理。在反相器輸入端輸入邏輯高電平時，其輸出端為低電平，反相器的輸出端與P-MOSFET的柵極連接，則使-VGS≈VIN，P-MOSFET導(dǎo)通，負(fù)載得電；若反相器輸入端輸入邏輯低電平，反相器輸出高電平，則使其-VGS≈0V，P-MOSFET關(guān)斷，負(fù)載失電。一般在輸入端往往接一下拉電阻，其目的是使負(fù)載開關(guān)在無控制信號輸入時處于可靠的關(guān)斷狀態(tài)。
圖2(b)的工作原理與圖2(a)相同，讀者可自行分析。
如果在負(fù)載開關(guān)與負(fù)載之間接了一個大容量電容，如圖3所示。當(dāng)這電容的等效串聯(lián)電阻非常小時，在負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通的瞬間，有較大的瞬態(tài)電流（沖擊電流，如圖3右圖所示）流過開關(guān)管。為減小沖擊電流，在負(fù)載開關(guān)中增加了C1及R2，如圖4所示。當(dāng)負(fù)載開關(guān)在導(dǎo)通后的瞬間，輸入電壓經(jīng)P管后加在C1及R2上（Q1的導(dǎo)通電阻略而不計），其電壓主要降在R2上，減小了-VGS，減小ID電流，即減小沖擊電流。C1≤1000pF，R1=10～47kΩ，R2=1～4.7kΩ。
圖3 負(fù)載開關(guān)接負(fù)載電路
圖4 負(fù)載開關(guān)基本電路
圖2、圖4是負(fù)載開關(guān)的基本電路。由于電路十分簡單，可以由分立元件組成，但目前有現(xiàn)成的集成電路，使應(yīng)用更方便，占PCB面積也更小。
負(fù)載開關(guān)是一種通用功率開關(guān)器件，過去主要應(yīng)用于工業(yè)控制及汽車工業(yè)等。近年來，隨著便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，如PDA、手機、數(shù)碼相機等纖巧產(chǎn)品大量上市，為了節(jié)省電能，除了應(yīng)用高效率的電源管理IC外，還需要多個負(fù)載開關(guān)，并由微處理器進(jìn)行控制組成負(fù)載管理（在不同的工作狀態(tài)時，給有用的負(fù)載供電，將不用的負(fù)載統(tǒng)統(tǒng)關(guān)斷）。圖1就是一種負(fù)載管理的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖中，電源管理IC有5路輸出（3路DC/DC轉(zhuǎn)換器、2路LDO）。DC/DC1的輸出供3個并聯(lián)的負(fù)載1～負(fù)載3。為了控制負(fù)載1～3的通電或斷電，在DC/DC1與3個負(fù)載之間加接了3個負(fù)載開關(guān)（負(fù)載開關(guān)1～3），其控制端接微處理器I/O口，由微處理器控制其通、斷來實現(xiàn)負(fù)載管理。
圖1 負(fù)載管理結(jié)構(gòu)拓?fù)?/FONT>
負(fù)載開關(guān)增加電流限制功能后，可用作計算機外設(shè)供電端口（USB），并且可做成熱插拔電源插座，也可做成功率分配開關(guān)。
圖2是一種輸出限制電流可調(diào)節(jié)的USB端口電路。該電路由MIC2008作功率分配開關(guān)，由USB控制器對功率分配開關(guān)實現(xiàn)控制。限定的電流由外設(shè)電阻R來設(shè)定（限制電流范圍為0.2～2.0A）。該功率分配開關(guān)的輸出電壓上升率（啟動時間）可由外設(shè)電容C來設(shè)定，內(nèi)部有過熱保護(hù)及輸入電壓過低時輸出鎖存保護(hù)。
圖2 輸出限制電流可調(diào)節(jié)的USB端口電路
從負(fù)載開關(guān)基本電路來看，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是缺少過熱保護(hù)（負(fù)載有局部短路或輸出有短路）。在有短路時不僅負(fù)載、負(fù)載開關(guān)損壞，并且由于電源過載關(guān)斷會使整個裝置、系統(tǒng)不能正常工作。因此近年來，人們根據(jù)負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用狀況作了不少的改進(jìn)，改善了性能、提高了工作可靠性、增加了功能。
1 在安全保護(hù)方面
①在負(fù)載開關(guān)中增加過熱關(guān)閉電路。如果有發(fā)生負(fù)載局部短路或短路情況時，使負(fù)載開關(guān)的管芯溫度超過過熱閾值溫度（如125℃），則過熱關(guān)閉電路起作用將負(fù)載開關(guān)切斷。不僅阻止了負(fù)載更大的損壞，也使電源不因負(fù)載短路而影響向其他電路供電。在過熱故障發(fā)生時，負(fù)載開關(guān)還輸出故障信號（給微處理器μP）以告知故障的存在。另外還有輸入欠壓鎖存保護(hù)功能。
�、谠谪�(fù)載開關(guān)中增加限流電路。負(fù)載開關(guān)中沒電流檢測及限流輸出電路。它有兩種結(jié)構(gòu)：限制電流值是工廠設(shè)定的；限制電流可由用戶外設(shè)一個電阻設(shè)定。發(fā)生過流狀態(tài)時，負(fù)載開關(guān)輸出故障信號。
具有限流輸出的負(fù)載開關(guān)，不僅提高了工作的可靠性及安全性，并且這種負(fù)載開關(guān)還可以用作功率分配開關(guān)、熱插拔插座、USB端口。有的負(fù)載開關(guān)在過流時便輸出鎖存（無輸出），則這種負(fù)載開關(guān)可看作“電子保險絲”在排除過流故障后，重新啟動后可正常工作。有的負(fù)載開關(guān)在過流時，以限制的電流（恒流）繼續(xù)給負(fù)載供電。
2 在開關(guān)性能方面
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，單個分立器件MOSFET的導(dǎo)通電阻逐年下降，導(dǎo)通電阻小的可做到幾mΩ。集成負(fù)載開關(guān)中的MOSFET導(dǎo)通電阻稍大，目前可做到幾十mΩ左右。為了改善開關(guān)的性能，使開關(guān)慢啟動（慢啟動是指開關(guān)接通時，其電壓上升率是一個斜坡，防止有過大的沖擊電流）、快關(guān)斷。電壓上升的斜率有幾種：由工廠設(shè)定幾種斜率（啟動時間不同），供用戶選擇；由用戶在器件外設(shè)一電容，設(shè)定其啟動時間。為了快速關(guān)斷開關(guān)，在負(fù)載開關(guān)中設(shè)有關(guān)斷時輸出有放電電路，如圖所示。在負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時，N-MOSFET導(dǎo)通，電容往N管放電，加速關(guān)斷時間。
圖 負(fù)載開關(guān)中的輸出有效放電電路
3 其他方面
為了適應(yīng)便攜式電子產(chǎn)品對負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用需要，在以下幾方面作了改進(jìn)：工作電壓適合電池供電電壓，一般為 1.8～5.5V或1.2～5.5V；為滿足更低的電壓，輸入電壓為0.8V；減少靜態(tài)電流，一般為幾μA（靜態(tài)電流大小與負(fù)載開關(guān)內(nèi)部的電路負(fù)載程度有關(guān)），典型值為1μA。個別較簡單的負(fù)載開關(guān)，其靜態(tài)電流IQ=25μA；輸出電流一般0.2～6A，可滿足各種便攜式的要求；為滿足便攜式體積小的要求，負(fù)載開關(guān)采用小尺寸封裝，一般采用SOT-23封裝、2mm×2mm的MLP或MLF封裝、SC-70封裝，最小的采用6焊球BGA封裝，其封裝尺寸僅為1.5mm×1.0mm；在電源關(guān)斷時，無反向電流。
維庫電子通，電子知識，一查百通！
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