1、 电源招聘专家针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数 2013-03-06 关键字：便携设备 高端负载 应用参数 对于各具特色的移动电话、移动 GPS 设备和消费电子小玩意等电池供电的便携式设备应用来说，高端负载开关一直受到众多工程师和设计人员的青睐。本文将以易于理解的非数学方式全方位介绍基于 MOSFET 的高端负载开关，并讨论在设计和选择过程中必须考虑的各种参数。高端负载开关的定义是：它通过外部使能信号的控制来连接或断开至特定负载的电源(电池或适配器)。相比低端负载开关，高端负载开关“流出 ”电流至负载，而低端负载开关则将负载接地或者与地断开，因此它从负载“汲入”电流。高端负载开关不同
2、于高端电源开关。高端电源开关管理输出电源，因此通常会限制其输出电流。相反地，高端负载开关将输入电压和电流传递给“负载” ，并且它不具备电流限制功能。 高端负载开关包含三个部分：传输元件：本质上是一个晶体管，通常为一个增强型 MOSFET。传输元件在线性区工作，将电流从电源传输至负载，就像一个“开关”(与放大器相对应 )。 栅极控制电路：向传输元件的栅极提供电压来控制导通或关断。它还被称为电平转换电路，外部使能信号通过电平转换来产生足够高或者足够低的栅极电压(偏置电压) 来全面控制传输元 件的导通和关断。 输入逻辑电路：主要功能是解释使能信号，并触发栅极控制电路来控制传输元件的导通和关断。 传输
3、元件传输元件是高端开关最基本的组成部分。最经常考虑的参数，特别是开关导通时的阻抗(RDSON)，与传输元件的结构和特性有直接关系。由于增强型 MOSFET 一般在工作期间消耗的电流较少，在关断期间泄漏的电流也较少，并且具有比双极晶体管更高的热稳定性，所以被广泛用作高端负载开关中的传输元件。本文将专门介绍基于增强型 MOSFET 的传输元件。增强型 MOSFET 传输元件可以是 N 沟道FET，也可以是 P 沟道 FET。当 N 沟道 FET 的栅极电压 (VG)比其源极电压(VS) 和漏极电压(VD)高出一个阈值(VT)时，N 沟道 FET 就会被完全转换至导通状态或者工作于其线性区。以下式子
4、给出了导通条件的数学表达式： VGVSVGSVT VGVT VD 或者是， VGSVT VDS 其中，VG 为栅极电压、VS 为源极电压、VD 为漏极电压、VT 为 FET 的阈值电压、VGS为栅源极压降、VDS 为漏源极压降，所有参数均为正。 图 1：具有内置电荷泵的 N 沟道 FET 高端负载开关当 N 沟道 FET 导通时，漏极电流 ID 为正，从漏极流向源极( 如图 1 和图 2 所示) 。当 P沟道 FET 的栅极电压(VG)比其源极电压(VS) 和漏极电压(VD)低出一个阈值(VT) 时，P 沟道 FET电源招聘专家就会被完全转换至导通状态或者工作于其线性区： 图 2：具有额外 V
5、BIAS 输入的 N 沟道 FET 高端负载开关VS VGVSGVT VDVTVG 或者是， VSGVT VSD 其中，VG 为栅极电压、VS 为源极电压、VD 为漏极电压、VT 为 FET 的阈值电压、VSG为源栅极压降、VSD 为源漏极压降，这里的所有参数也均为正的。当 P 沟道 FET 处于导通状态时，漏极电流 ID 为负，从源极流向漏极( 图 3)。N 沟道 FET将电子用作“多数载流子” ，与 P 沟道 FET 的“多数载流子”空穴相比，电子具有更高的移动率。这意味着，在相同的物理密度下，N 沟道 FET 比 P 沟道 FET 具有更高的跨导，从而使得在导通状态期间产生较低的漏源极阻
6、抗(即 RDSON)。N 沟道 FET 的 RDSON 一般为相同尺寸的 P 沟道 FET 的 RDSON 的 1/31/2，漏极电流 ID 也会高出相应的倍数(未考虑连接线厚度和封装等其它限制参数)。这还表示，对于相同的 RDSON 和 ID，N 沟道 FET 一般需要较少的硅片，因此它的栅极电容和阈值电压比 P 沟道 FET 要低。 图 3：P 沟道 FET 高端负载开关此外，由于当开关导通时 N 沟道 FET 的 VD 比 VG 低 VT，并且 VD 一般与 VIN 相连，因此有可能传递给负载的 VIN 非常低。理论上讲，N 沟道 FET 开关的 VIN 可以低至接近GND，并且不高于
7、VG-VT。另一方面，P 沟道 FET 开关传递给负载的 VIN(与 VS 相连)总是高于 VG+VT。但这并不表示在任何情况下选择传输元件时 N 沟道 FET 都比 P 沟道 FET 好。如上所述，N 沟道 FET 的一个基本属性是开关导通时工作在线性区，VG 要比 VD 高VT。但是，由于 VD 几乎总是与 VIN(通常是开关的最高电压)相连，因此 VG 必须从现有电压(如外部使能信号 EN)进行由低向高的电平转换，或者通过直流偏移进行从低向高的偏置，直流偏移是单个新的高压轨，通常被称为“VBIAS” 。 如果栅极电压从使能信号进行从低向高的电平转换，通常需要一个电荷泵作为附加的内部电路。
8、电荷泵需要一个内置的振荡器，芯片上至少需要一个“快速”(flying)电容器，从而产生栅极电压(通常是在导通过程中的多个使能信号 )。这当然增加了设计复杂性和硅片大小，从而抵消了 N 沟道 FET 因 RDSON 较低所带来的硅片缩小的优势。当负载电流相对较低(几安培) 时，电荷泵确实会增加硅片面积，并且增加的面积比 RDSON 所能缩小的面积要大，这使得 N 沟道开关解决方案的成本和设计复杂性要高于 P 沟道开关方案。更多细节如图 1 所示。 如果栅极电压通过直流偏移 VBIAS 进行从低向高的偏置，就不再需要电荷泵，从而硅片面积的增加也不再是主要问题。但是由于可能不具备额外的高压轨(这是大
9、多数电池供电的设置和器件都需要的)，因此这可能不是系统级的最佳解决方案( 图 2)。而在 P 沟道 FET 中，VG 通常低于 VS(与 VIN 相连) 。只要开关导通时 VS 保持在 VGVT的范围，那么它将始终工作在线性区，并且不需要特定的内部电路或外部电压轨。这是通过采用栅极控制电路将使能信号的电平从高向低转换至适当的 VG 电平来实现的。此方案不需要太多的电路或者额外的硅片面积(见图 3)。N 沟道高端负载开关通常是要求极低 RDSON 的高功率系统或者要求将接近 GND 的低 VIN 传递给负载的低输入电压系统的理想选择。另一方面， P 沟道高端负载开关电源招聘专家在要求设计复杂度不
10、高的低功率系统或者要求将高 VIN 传递给负载的高输入电压系统中具有一定优势。栅极控制栅极控制电路或者电平转换电路通过控制 MOSFET 的 VG 来实现其导通或关断。栅极控制电路的输出由从输入逻辑电路收到的输入直接决定。在导通期间，栅极控制电路的主要任务是对使能信号进行电平转换，以产生高(N 沟道)或低(P 沟道)VG 来完全导通开关。同样，在关断期间，栅极控制电路产生低(N 沟道) 或高(P沟道)VG 来完全关断开关。许多高端负载开关都在栅极控制电路中采用“斜率控制”或“软启动”功能。斜率控制功能可以在开关导通时限制 VG 的上升速度，从而逐步产生 ID。其目的是为了保护负载不受过多“电涌
11、”的影响，电涌有可能导致栓锁等故障。负载有时不仅仅具有阻抗性，也会具有高容性。因此，当开关关断时，聚集在容性负载上的电荷不会迅速放电，这会导致负载没有完全关断。为了避免这种情况，一些高端负载开关加入了“活动负载放电”功能，其目的是提供一个电流通路，在开关关断时使容性负载迅速放电。通常采用一个小型低端 FET 来实现该功能。图 4 是该方法的示意图，其中，底部 N 沟道 FET 的栅极与栅极控制内核相连，漏极与负载相连，当顶部的主开关 P 沟道FET 关断时，底部的 N 沟道 FET 导通，以使容性负载放电。 图 4：MIC94060/1/2/3P 沟道高端负载开关产品结构图输入逻辑输入逻辑电路的唯一功能是解释使能信号，并将正确的逻辑电平传递给栅极控制电路，以便栅极控制电路能够以输入逻辑电平控制传输元件的导通和关断。输入逻辑电路只采用下拉电阻就可以实现。
