IntelliMAX FPF2000 - FPF2007 负载开关：设计与应用全解析

在电子设计领域，负载开关是保障系统和负载安全稳定运行的关键组件。今天，我们就来深入探讨 ON Semiconductor 的 IntelliMAX FPF2000 - FPF2007 系列负载开关，看看它在实际应用中能为我们带来哪些优势。

文件下载：FPF2003.pdf

产品概述

FPF2000 - FPF2007 是一系列负载开关，旨在为可能遇到大电流情况的系统和负载提供全面保护。这些器件内置一个 0.7Ω 的电流受限 P 沟道 MOSFET，可在 1.8 - 5.5V 的输入电压范围内工作。开关控制通过逻辑输入（ON）实现，能够直接与低压控制信号接口。此外，每个器件都具备热关断保护功能，当连续过流导致过热时，会自动关闭开关，防止器件损坏。

产品特性

宽输入电压范围

支持 1.8 - 5.5V 的输入电压，适用于多种电源系统。

可控开启

确保在启动过程中对电流进行有效控制，减少电流冲击。

可选电流限制

提供 50mA 和 100mA 两种电流限制选项，满足不同应用需求。

欠压锁定

当输入电压低于设定阈值时，自动关闭开关，保护系统安全。

热关断保护

防止器件因过热而损坏，提高系统可靠性。

低关断电流

小于 1μA 的关断电流，降低系统功耗。

自动重启功能

部分型号具备自动重启特性，在故障排除后可自动恢复工作。

快速电流限制响应时间

对过流情况做出快速响应，保护系统免受大电流冲击。

无铅环保

符合 RoHS 标准，环保可靠。

订购信息

该系列产品有多种型号可供选择，不同型号在电流限制、电流限制消隐时间、自动重启时间和 ON 引脚活动等方面存在差异。具体信息如下表所示：	Part	Current Limit(mA)	Current Limit Blanking Time (ms)	Auto-Restart Time (ms)	ON Pin Activity	Top Mark
FPF2000	50	10	80	Active HI	200
FPF2001	50	10	80	Active LO	201
FPF2002	50	10	NA	Active HI	202
FPF2003	50	0	NA	Active HI	203
FPF2004	100	10	80	Active HI	204
FPF2005	100	10	80	Active LO	205
FPF2006	100	10	NA	Active HI	206
FPF2007	100	0	NA	Active HI	207

引脚配置与功能

引脚配置

引脚功能

Pin	Name	Function
1	VouT	开关输出：电源开关的输出
2	GND	接地
3	FLAGB	故障输出：低电平有效，开漏输出，指示过流、电源欠压或过热状态
4	ON	开启控制输入
5	VIN	电源输入：电源开关的输入和 IC 的电源电压

电气特性

基本操作

• 工作电压：1.8 - 5.5V
• 静态电流：不同条件下有所差异，如在特定条件下典型值为 60μA
• 导通电阻：在不同温度和电流条件下，导通电阻范围为 0.27 - 1.2Ω
• ON 输入逻辑高/低电压：根据输入电压不同而变化
• ON 输入泄漏电流：最大 1μA
• 关断开关泄漏电流：在特定条件下最大为 1μA

保护功能

• 电流限制：FPF2000 - FPF2003 为 50 - 100mA，FPF2004 - FPF2007 为 100 - 200mA
• 热关断：阈值为 140°C，恢复温度为 130°C，滞后为 10°C
• 欠压锁定：阈值为 1.5 - 1.7V，滞后为 50mV

动态特性

• 开启时间：典型值为 50μs
• 关断时间：典型值为 0.5μs
• 输出上升/下降时间：分别为 10μs 和 0.1μs
• 过流消隐时间：FPF2000、FPF2001、FPF2002、FPF2004、FPF2005、FPF2006 为 5 - 20ms
• 自动重启时间：FPF2000、FPF2001、FPF2004、FPF2005 为 40 - 160ms
• 短路响应时间：中等过流条件下为 3μs，硬短路时为 20ns

工作原理

开关控制

ON 引脚控制开关的状态，有高电平有效和低电平有效两种版本。只要没有故障，持续激活 ON 引脚可使开关保持导通状态。当 VIN 欠压或结温超过 150°C 时，开关将自动关闭。此外，在 FPF2000 - FPF2002 和 FPF2004 - FPF2007 中，过流也会导致开关关闭。FPF2000、FPF2001、FPF2004 和 FPF2005 具备自动重启功能，在 80ms 后自动重新开启开关；而 FPF2002 和 FPF2006 则需要手动切换 ON 引脚来重新开启开关。FPF2003 和 FPF2007 在过流时不会关闭，而是保持恒流模式，直到 ON 引脚失活或触发热关断或欠压锁定。

故障报告

当检测到过流、输入欠压或过热情况时，FLAGB 引脚将输出低电平信号。对于 FPF2000 - FPF2002 和 FPF2004 - FPF2006，FLAGB 在消隐时间结束时变为低电平；而 FPF2003 和 FPF2007 则立即变为低电平。在自动重启期间，FPF2000、FPF2001、FPF2004 和 FPF2005 的 FLAGB 保持低电平；FPF2002 和 FPF2006 的 FLAGB 则被锁存为低电平，需要切换 ON 引脚才能释放。FPF2003 和 FPF2007 的 FLAGB 在故障期间为低电平，故障消除后立即恢复高电平。

电流限制

电流限制功能确保开关电流不超过最大值，同时不低于最小值。FPF2000 - FPF2003 的最小电流为 50mA，最大电流为 100mA；FPF2004 - FPF2007 的最小电流为 100mA，最大电流为 200mA。FPF2000 - FPF2002 和 FPF2004 - FPF2006 有 10ms 的消隐时间，在此期间开关作为恒流源工作。消隐时间结束后，开关关闭，FLAGB 引脚激活。FPF2003 和 FPF2007 没有电流限制消隐期，一旦达到电流限制，FLAGB 立即激活，器件将保持恒流状态，直到 ON 引脚失活或触发热关断。

反向电压保护

如果 VOUT 引脚电压高于 VIN 引脚，可能会有大电流流过，导致器件永久性损坏。因此，该系列器件设计为仅允许电流从 VIN 流向 VOUT。

欠压锁定

当输入电压低于欠压锁定阈值时，开关将关闭。当 ON 引脚激活且输入电压高于阈值时，开关将受控开启，限制电流过冲。

热关断保护

热关断功能可保护芯片免受内部或外部产生的过高温度影响。当出现过热情况时，FLAGB 引脚激活，开关关闭。当芯片温度降至阈值以下时，开关将自动重新开启。

应用信息

典型应用电路

输入电容

为了限制开关开启时因瞬态浪涌电流导致的输入电源电压下降，需要在 VIN 和 GND 之间放置一个电容。建议在 VIN 引脚附近放置一个 4.7μF 的陶瓷电容 CIN。增加 CIN 的值可以进一步降低开关开启时对大电容负载的电压降。

输出电容

在 VOUT 和 GND 之间应放置一个 0.1μF 的电容 COUT，以防止开关关闭时寄生电路板电感使 VOUT 低于 GND。对于 FPF2000 - FPF2002 和 FPF2004 - FPF2006，总输出电容需要保持在最大值 COUT(max) 以下，以避免器件误判为过流而关闭开关。最大输出电容可通过公式 $C{OUT }=frac{I{L M}(max ) × t{BLANK }(min )}{V{IN }}$ 计算。由于 PMOS 开关中的内置体二极管，强烈建议 CIN 大于 COUT。如果 COUT 大于 CIN，当系统电源移除时，可能会导致 VOUT 超过 VIN，从而使电流通过体二极管从 VOUT 流向 VIN。

功率耗散

在正常开关操作期间，功率耗散较小，对器件工作温度影响不大。电流限制较高的器件耗散功率最大，例如在特定情况下，功率为 $P=left(I{LIM}right)^{2} × R{DS}=(0.2)^{2} × 0.7=28 mW$。当器件进入电流限制状态且输出短路到地时，将出现最大功耗。对于 FPF2000、FPF2001、FPF2004 和 FPF2005，功耗将根据自动重启时间 tRESTART 和过流消隐时间 tBLANK 进行缩放，最大功耗为 $P(max ) =frac{t{BLANK }}{t{RESTART }+t{BLANK }} timesleft(V{IN(max )}right) × I_{LIM(max )} =frac{10}{80+10} × 5.5 × 0.2=1.22 mW$。在使用 FPF2002 和 FPF2006 时，需要注意手动复位器件。当输出短路时，如果以高占空比连续复位器件，可能会导致器件温度升高。结温将仅允许升高到热关断阈值，一旦达到该温度，在结温下降之前，切换 ON 引脚将无法开启开关。对于 FPF2003 和 FPF2007，输出短路将使器件进入恒流状态，直到热关断激活，在此期间将消耗最坏情况下的功率。

电路板布局

为了获得最佳性能，所有走线应尽可能短。输入和输出电容应靠近器件放置，以减少寄生走线电感对正常和短路操作的影响。使用较宽的走线连接 VIN、VOUT 和 GND，有助于减少寄生电气效应，并降低器件与环境之间的热阻。

总结

IntelliMAX FPF2000 - FPF2007 系列负载开关凭借其丰富的保护功能、宽输入电压范围和灵活的配置选项，为各种电子系统提供了可靠的电源管理解决方案。无论是在 PDA、手机、GPS 设备、MP3 播放器还是数码相机等消费电子领域，还是在其他需要电源保护的应用中，该系列产品都能发挥重要作用。在实际设计中，我们需要根据具体应用需求选择合适的型号，并合理设计电路板布局和电容参数，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似负载开关时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。