电源开关设计基础

　　电源开关的使用较为复杂，甚至让大多数电子产品设计人员都感到困惑，特别是对那些非电源管理的专家而言。在各种各样的应用中，例如：可携式电子产品、消费类电子产品、工业或电信系统等，广大的设计人员越来越常使用到电源开关。这些电源开关的使用方式非常多样，包括控制、排序、电路保护、配电，甚至是系统电源开启管理等。当然，每一种用法都需要有不同特性的电源开关解决方案。

　　本文针对在不同应用中使用到电源开关时，设计人员需要考虑的一些重要规範和概念进行了总结说明，并介绍了一些可能的解决方案，旨在帮助设计人员选择一种最佳的解决方案。

　　很明显地，在选择电源开关以前您应该问您自己的第一个问题是：“我想要用这个开关来做什么？”这是一个简单的问题，但其答案却能帮助您定义完美的产品。使用电源开关的方式有数种，最为常见的是：

　　?控制、配电和排序（即开启/关闭电源轨来启用某个子系统或者为多个负载配电）；

　　?短路、过电流或过电压保护（USB电流限制、感测器保护、电源轨短路保护）；

　　?管理接通突波电流（即电容充电时）；

　　?选择电源（即多工或ORing）或者负载分配。

　　导通电阻、最大电流和输入电压範围

　　导通电阻（rON）、最大持续电流和输入电压範围始终都是需要考虑的关键特性。它们是您在考查任何元件以前需要研究的基本特性。根据应用，设计人员可以轻鬆地知道需要开关的电流，以及工作电压的大小。根据这类资讯，设计人员便可以做出初步的选择。事实上，如果您需要一个能够通过1.2V或36V的开关，便可以确定两种完全不同的产品範围。

　　导通电阻会影响您在开关上看到的压降。设计人员必须仔细瞭解其特定应用设置（电压、电流）相关的最大允许压降。利用公式1可以很容易地计算得到：

　　

　　其中，压降为VDROP，直通FET导通电阻为rON，而通过开关的电流为I。

　　如果应用需要开关大量的电流，或者对低压轨（如1.0-V）进行开关，则需要最小化压降。因此，导通电阻需要尽可能地低，例如：TPS2292x系列特有3.6-V的14-m Ohm rON。但是，如果要开关的电流较少，则导通电阻便不是一个关键问题，您可以选择一个约为1Ohm的高导通电阻元件。导通电阻是电源开关元件晶片尺寸和成本的一个重要塬因。您要对其仔细研究，以选择最低成本的解决方案。

　　除设计人员关注的开关最大持续电流以外，另一个重要特性是开关允许的最大脉衝电流。在某些应用中，大多数时候要求的负载均属于中等强度的持续电流。但是，当某个子系统要求更多功率时，就很容易见到峰值出现。GSM/GPRS发射脉衝便是一个很好的例子，当它的工作週期为12.5%时，会在576uS的短暂期间要求高达1.7A的电流。请确定所选用的元件可以支援这种脉衝电流。

　　功耗和保护特性

　　功耗也是需要考虑的一个重要特性。在作为直通开关的正常运行期间，根据开关的导通电阻以及开关电流，可以计算得到功耗。利用公式2，您可以很容易地计算得到元件的最大功耗。

　　

　　如果该元件的导通电阻够低，则功耗较小，并且对元件工作温度产生的影响也极小。但是，如果您计画使用此开关来保护电源轨免受过电流或者使用USB埠时的短路损害，或是指纹感测器保护，则要小心。在这种情况下，您必须选择一种电流限制开关。如果您不使用电流限制开关，则功耗会成为系统可靠性的主要问题。例如，3.3-V输入电压下，作用于一个非电流限制负载开关的0.9-？スu路，会转换成如公式3所示的功耗。

　　

　　一般来说，这种功耗对于市售的大多数封装而言都太高，其可导致故障和可靠性问题。

　　同样地，使用电流限制开关的设计人员需要确定封装能够支援的短路状态。如果元件达到电流限制值，则当输出为短路接地时会出现最大功耗。对于具有自动重启时间tRESTART和过电流断路时间tBLANK的一些元件来说，最大平均功耗如公式4所示。

　　

　　对于那些没有自动重启环路（如TPS22944等）的元件来说，输出短路会使元件工作在？甯y状态下，在热中断启动之前，它会一直极端的消耗电力。。这样一来，只要导通引脚还有效且又出现短路状况，这种热中断的循环就会持续发生。

　　市场上有一些电流限制开关，需要考虑的两个主要特性是电流限制最小值（固定电流限制或利用外部电阻编程），以及电流限制精度和回应时间。大多数应用中，电流限制精度并不是一个关键问题，因为此元件的功用是作为一个断路器（即出现短路时关闭开关）。但是，在一些如USB电流限制的应用中，精度就显得很重要，因为开关的功用是作为一个？甯y源。

　　对于要开关大电流或承受过电流的一些应用来说，我们建议您选择具有某种热保护特性的元件。当发现元件温度过高时，大多数元件都会启用热中断，关闭FET来保护元件自身，以避免遭受任何潜在的热损害。

　　对于短路保护来说，电流限制（或者过电流保护—OCP）是必要的，此外，还可以考虑如反向电流阻断等其他一些保护特性。

　　当设计人员尝试设计一种电源选择器（ORing），或者实现某种负载分配时，反向电流阻断（也称作反向电压保护）则为必需的。

　　图1显示了一个通过两个潜在电源（即DC输入和电池）为负载供电的电源开关配置实例：

　　

　　图1：双源电源选择器。

　　对于没有反向电压保护的元件来说，直通FET的输入电压保持在其输出电压以上很重要。否则，输入将会通过FET主体二极体被钳位控制，从而使大电流从输出端流至输入端。

　　在图1实例中，如果电池为一颗4.2V（最大）的锂离子（Li-Ion）电池，启用DC输入，并且电压为5.0V，则潜在大电流将从负载流至电池——我们当然不希望看到这种结果！

　　一种有效的解决方案是使用一款具有反向电压保护特性的元件。反向电流保护一般可以通过使用背靠背FET，或者在侦测到反向电压状态时切换PMOS FET的背栅来实现。您将会研究反向电压比较器跳变点（VOUT–VIN值，即启用反向电流特性的阈值），以及从反向电压状态到MOSFET关闭的时间。

　　可有效用于某些应用的另外一种保护是过电压保护（OVP）。该特性在开关出现过电压时，保护开关和系统。例如，它可以有效地用于一些USB应用或者电池应用中。

　　突波电流管理

　　电源开关的另一种常见用途是对系统启动时的突波电流进行管理。如果开关在不受控的情况下开启，则会形成巨大的突波电流，会在此开关的输入端造成电源轨压降，最终可能会影响系统的整体功能。

　　对大容量输出电容充电时，突波电流会很大，需要对其进行控制和/或限制。这种突波电流可由公式5计算得到：

　　

　　例如，和1uS升压时间的情况下，突波电流可以高达3A。

　　避免出现这种突波电流的一种简单方法是拉长开关的升压时间。这样便可缓慢地对输出电容充电，并降低电流峰值。在公式5的实例中，200uS的升压时间会导致15mA的突波电流，这是可以接受的。

　　一些情况下，您可能想对一些超大容量电容（数百uF）充电。通常建议选择非常长的升压时间，但是您也可以选择一种具有高电流限制的开关。此类元件将会在电源启动时进行电流限制，同时电容将在电流限制值下获得充电，其为电源开关的最大功耗能力。

　　系统互操作性

　　任何情况下，在选择电源开关时，都需要认真地考虑系统互操作性问题。例如，可携式应用中使用电源开关启用和关闭负载来优化功耗时，开关的控制输入必须与通用、低电压（1.8-V）的GPIO相容，这非常重要。另外，当关闭开关时，请确保开关的浮动输出不影响系统性能。因此，一些用户可能会在关闭时利用一个额外电晶体将电源开关输出紧密接地，或者使用一个整合了这种下拉接地特性（如TPS22902）的整合型元件。

　　另一个重要的检查点是设计稳定系统所使用的输入和输出电容。儘管通常不要求一个输入电容来稳定一些市售的电源开关，但在输入电源处连接一个0.1uF到1uF的低等效串联电阻（ESR）电容，却被认为是一种较好的类比设计方法。该电容可应对电抗性输入源，并改善瞬态回应、杂讯及纹波抑制性能。根据开关的负载，您可能会考虑在开关的输出端添加一些额外的储能电容。如果开关没有反向电流阻断，则强烈建议使用大于输出电容的输入电容，否则输入将会通过FET主体二极体被钳位控制，从而使强大的电流从输出端流到输入端。

　　

　　表1概括了电源开关在各种用途中需要考虑的重要特性。