負(fù)載開(kāi)關(guān)基本電路

　　功率MOSFET是一種具有良好開(kāi)關(guān)特性的器件：導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通電阻RDS(ON)很??；在關(guān)斷時(shí)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(kāi)關(guān)。

　　N溝道MOSFET可以組成最簡(jiǎn)單的負(fù)載開(kāi)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(dòng)機(jī)、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(gè)邏輯高電平，則N-MOSFET導(dǎo)通，負(fù)載得電；在其柵極加一個(gè)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(kāi)關(guān)

　　從圖1可以看出，負(fù)載開(kāi)關(guān)接是在電源與負(fù)載之間，用邏輯電平來(lái)控制通、斷，使負(fù)載得電或失電的功率器件。由于開(kāi)關(guān)在負(fù)載的下邊，一般稱(chēng)為低端負(fù)載開(kāi)關(guān)。

　　如果負(fù)載是一個(gè)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(kāi)關(guān)不能用，要采用高端負(fù)載開(kāi)關(guān)。高端負(fù)載開(kāi)關(guān)主要由P溝道MOSFET組成，如圖2所示。圖2(a)是由一個(gè)P-MOSFET與一個(gè)反相器組成的，圖2(b)是由一個(gè)P-MOSFET與一個(gè)N-MOSFET組成的。開(kāi)關(guān)在負(fù)載的上面，稱(chēng)高端負(fù)載開(kāi)關(guān)。

圖2 高端負(fù)載開(kāi)關(guān)

　　以圖2(a)來(lái)說(shuō)明其工作原理。在反相器輸入端輸入邏輯高電平時(shí)，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(kāi)關(guān)在無(wú)控制信號(hào)輸入時(shí)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。

圖3 負(fù)載開(kāi)關(guān)接負(fù)載電路

　　如果在負(fù)載開(kāi)關(guān)與負(fù)載之間接了一個(gè)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(shí)，在負(fù)載開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)管。為減小沖擊電流，在負(fù)載開(kāi)關(guān)中增加了C1及R2，如圖4所示。當(dāng)負(fù)載開(kāi)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(jì)），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4 負(fù)載開(kāi)關(guān)基本電路

圖2、圖4是負(fù)載開(kāi)關(guān)的基本電路。由于電路十分簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)的發(fā)展

　　從負(fù)載開(kāi)關(guān)基本電路來(lái)看，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是缺少過(guò)熱保護(hù)（負(fù)載有局部短路或輸出有短路）。在有短路時(shí)不僅負(fù)載、負(fù)載開(kāi)關(guān)損壞，并且由于電源過(guò)載關(guān)斷會(huì)使整個(gè)裝置、系統(tǒng)不能正常工作。因此近年來(lái)，人們根據(jù)負(fù)載開(kāi)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

　?、僭谪?fù)載開(kāi)關(guān)中增加過(guò)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(shí)，使負(fù)載開(kāi)關(guān)的管芯溫度超過(guò)過(guò)熱閾值溫度（如125℃），則過(guò)熱關(guān)閉電路起作用將負(fù)載開(kāi)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(guò)熱故障發(fā)生時(shí)，負(fù)載開(kāi)關(guān)還輸出故障信號(hào)（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。

　　②在負(fù)載開(kāi)關(guān)中增加限流電路。負(fù)載開(kāi)關(guān)中沒(méi)電流檢測(cè)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(hù)外設(shè)一個(gè)電阻設(shè)定。發(fā)生過(guò)流狀態(tài)時(shí)，負(fù)載開(kāi)關(guān)輸出故障信號(hào)。

　　具有限流輸出的負(fù)載開(kāi)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(kāi)關(guān)還可以用作功率分配開(kāi)關(guān)、熱插拔插座、USB端口。有的負(fù)載開(kāi)關(guān)在過(guò)流時(shí)便輸出鎖存（無(wú)輸出），則這種負(fù)載開(kāi)關(guān)可看作“電子保險(xiǎn)絲”在排除過(guò)流故障后，重新啟動(dòng)后可正常工作。有的負(fù)載開(kāi)關(guān)在過(guò)流時(shí)，以限制的電流（恒流）繼續(xù)給負(fù)載供電。

2 在開(kāi)關(guān)性能方面

　　隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，單個(gè)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(kāi)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(kāi)關(guān)的性能，使開(kāi)關(guān)慢啟動(dòng)（慢啟動(dòng)是指開(kāi)關(guān)接通時(shí)，其電壓上升率是一個(gè)斜坡，防止有過(guò)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(dòng)時(shí)間不同），供用戶(hù)選擇；由用戶(hù)在器件外設(shè)一電容，設(shè)定其啟動(dòng)時(shí)間。為了快速關(guān)斷開(kāi)關(guān)，在負(fù)載開(kāi)關(guān)中設(shè)有關(guān)斷時(shí)輸出有放電電路，如圖5所示。在負(fù)載開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，N-MOSFET導(dǎo)通，電容往N管放電，加速關(guān)斷時(shí)間。

圖5 負(fù)載開(kāi)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(duì)負(fù)載開(kāi)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，最低輸入電壓為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(kāi)關(guān)內(nèi)部的電路負(fù)載程度有關(guān)），典型值為1μA。個(gè)別較簡(jiǎn)單的負(fù)載開(kāi)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(kāi)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(shí)，無(wú)反向電流。

應(yīng)用流域的擴(kuò)展

　　負(fù)載開(kāi)關(guān)是一種通用功率開(kāi)關(guān)器件，過(guò)去主要應(yīng)用于工業(yè)控制及汽車(chē)工業(yè)等。近年來(lái)，隨著便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，如PDA、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)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(gè)負(fù)載開(kāi)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(shí)，給有用的負(fù)載供電，將不用的負(fù)載統(tǒng)統(tǒng)關(guān)斷）。圖6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(gè)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(gè)負(fù)載之間加接了3個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)（負(fù)載開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。

圖6 負(fù)載管理結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

　　負(fù)載開(kāi)關(guān)增加電流限制功能后，可用作計(jì)算機(jī)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(kāi)關(guān)。

圖7 輸出限制電流可調(diào)節(jié)的USB端口電路

　　圖7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(kāi)關(guān)，由USB控制器對(duì)功率分配開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制。限定的電流由外設(shè)電阻R來(lái)設(shè)定（限制電流范圍為0.2～2.0A）。該功率分配開(kāi)關(guān)的輸出電壓上升率（啟動(dòng)時(shí)間）可由外設(shè)電容C來(lái)設(shè)定，內(nèi)部有過(guò)熱保護(hù)及輸入電壓過(guò)低時(shí)輸出鎖存保護(hù)。

典型負(fù)載開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介

　　近年來(lái)，F(xiàn)AIRCHILD公司、ANALOGIC TECH公司、MICREL公司等相繼開(kāi)發(fā)出多種新型負(fù)載開(kāi)關(guān)。由于這些負(fù)載開(kāi)關(guān)功能較全，所以被稱(chēng)為“全接觸”或“智能開(kāi)關(guān)”。這里簡(jiǎn)單地介紹FAIRCHILD公司的FPF2163/4/5及ANALOGIC TECH公司的AAT4297負(fù)載開(kāi)關(guān)。

1 FPF2163/4/5系列

　　FPF2163/4/5系列負(fù)載開(kāi)關(guān)是一種輸出電流可設(shè)定的多功能負(fù)載開(kāi)關(guān)。該系列主要特點(diǎn)：輸入電壓1.8～5.5V；限定電流可設(shè)定范圍為0.15～1.5A；輸入電壓低于閾值電壓時(shí)，輸出鎖存（UVLO）；有過(guò)熱關(guān)閉；靜態(tài)電流最大值為77μA（典型值），開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)耗電小于2μA；發(fā)生欠壓鎖存、過(guò)熱、過(guò)流故障時(shí)，有故障信號(hào)輸出；開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)無(wú)反向電流；小尺寸FET-6封裝（2mm×2mm）；工作溫度范圍-40～+85℃。

FPF2163、FPF2164、FPF2165在功能上有一些差別，如表1所示。用戶(hù)可根據(jù)產(chǎn)品的要求選擇。

　　該系列負(fù)載開(kāi)關(guān)主要用于PDA、手機(jī)、GPS、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、外設(shè)端口及熱插拔電源等。FPF2164可用作“電子保險(xiǎn)絲”。

圖8 FPF2163/4/5引腳排列

　　該系列引腳排列如圖8所示，其典型應(yīng)用電路如圖9所示。

圖9 FPF2163/4/5典型應(yīng)用電路

　　在圖9中，輸入電容CIN為1μF，輸出電容COUT為0.1μF，10kΩ為故障信號(hào)輸出的上拉電阻（內(nèi)部為開(kāi)漏輸出結(jié)構(gòu)），RSET為限流設(shè)定電阻，設(shè)定的限流電流ILIM與RSET的關(guān)系為：
RSET=275.6/ILIM

　　式中，RSET的單位為Ω，ILIM的單位為A。設(shè)定的限制電流有一定的允差，允差范圍為±25%。

　　在ON端加邏輯高電平（VIN=1.8V時(shí)＞0.8V，VIN=5.5V時(shí)＞1.4V）時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；在ON端加邏輯低電平（VIN =1.8V時(shí)＜0.5V，VIN=5.5V時(shí)＜1V）時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)斷。

2 AAT4297

　　AAT4297是一種用于手機(jī)控制LED的負(fù)載開(kāi)關(guān)。在手機(jī)中有不少LED，它們用作單色或彩色LCD顯示屏的背光照明、鍵盤(pán)的照明及相機(jī)的LED閃光燈。有一些雙顯示屏的副屏及鍵盤(pán)的背光可以改變其顏色以滿足客戶(hù)的不同喜愛(ài)。這一些LED的不同工作狀態(tài)可采用一種新型控制LED的負(fù)載開(kāi)關(guān)進(jìn)行管理，這就是AAT4297。它除用于手機(jī)外，還可以用于多路小功率負(fù)載開(kāi)關(guān)、個(gè)人通信裝置及其他便攜式電子產(chǎn)品的負(fù)載管理。

　　該器件主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍為1.8～5.5V；內(nèi)部有6個(gè)低端N溝通MOSFET開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)都是獨(dú)立的；可采用單個(gè)串行控制線（S2C線）對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)通、斷控制；靜態(tài)電流少，典型值為3μA；每個(gè)開(kāi)關(guān)可驅(qū)動(dòng)208mA；無(wú)須其他外圍元件；12引腳TSOP封裝；工作溫度范圍-40～+85℃。

圖10  AAT4297的引腳框圖

　　該器件的結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。EN/SET為使能/開(kāi)關(guān)選擇端，與μP的串行口連接，輸入6位數(shù)字信號(hào)（000000～111111）后置高電平，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)開(kāi)關(guān)64種不同的通、斷狀態(tài)。VCC輸入   1.8～5.5V電壓，S1～S6為各開(kāi)關(guān)的漏極（開(kāi)漏輸出結(jié)構(gòu)），外接LED負(fù)載。如果輸入6位數(shù)字信號(hào)都是1后置高，外接6個(gè)LED（LED1～LED6）都亮；若輸入的數(shù)字信號(hào)是010011，則LED1、LED3、LED4滅，LED5、LED6亮，當(dāng)EN/SET端入信號(hào)由高電平變成低電平時(shí)，則所有亮的LED都滅。

圖11 AAT4297典型應(yīng)用電路

　　其典型應(yīng)用電路如圖11所示。S1～S3接三基色（RGB）LED，RR、RG、RB、為各色LED的限流電阻。利用紅、綠、藍(lán)三種不同發(fā)光顏色的組合，可以產(chǎn)生7種不同的顏色。例如，紅、綠、藍(lán)三種LED以一定的發(fā)光強(qiáng)度亮?xí)r，可產(chǎn)生白光；紅、綠兩LED亮?xí)r可產(chǎn)生橙色光。如果有需要也可并接多個(gè)RGB LED。S4接D1～D4白光LED，它用作彩色主顯示屏背光照明，S6接閃光燈LED，作相機(jī)閃光燈用。

　　根據(jù)手機(jī)的不同工作狀態(tài)，由μP向EW/SET輸入不同的數(shù)字信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)LED的負(fù)載管理。數(shù)字信號(hào)的頻率可高達(dá)1MHz。利用輸入EN/SET信號(hào)使LED亮的時(shí)間與滅的時(shí)間交替進(jìn)行，改變亮、滅的時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)。

　　從圖11看出，僅用μP一條串行控制線就可以對(duì)所有LED負(fù)載實(shí)現(xiàn)管理，并可改變背光顏色及調(diào)節(jié)亮度，這個(gè)LED負(fù)載開(kāi)關(guān)器件的功能及性能是很不錯(cuò)的，它是時(shí)尚手機(jī)中常用的負(fù)載管理IC。