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電源軌難管理?試試這些新型的負(fù)載開關(guān) IC!

發(fā)布時間:2024-06-06 來源:德州儀器 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文將討論負(fù)載開關(guān)的作用,其基本功能、附加功能以及高級特性,正是這些功能使得它們不僅僅相對簡單,而且可對電源軌進(jìn)行電子開/關(guān)控制。文章將使用 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) 的 TCK12xBG 系列中的三個新型負(fù)載開關(guān) IC 來描述這些要點(diǎn),并展示如何應(yīng)用它們來滿足最新產(chǎn)品設(shè)計的需要。


本文將討論負(fù)載開關(guān)的作用,其基本功能、附加功能以及高級特性,正是這些功能使得它們不僅僅相對簡單,而且可對電源軌進(jìn)行電子開/關(guān)控制。文章將使用 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) 的 TCK12xBG 系列中的三個新型負(fù)載開關(guān) IC 來描述這些要點(diǎn),并展示如何應(yīng)用它們來滿足最新產(chǎn)品設(shè)計的需要。

在幾乎所有的系統(tǒng)設(shè)計中,管理直流電源軌以及保護(hù)它們免受各種內(nèi)部和外部故障模式的影響都是至關(guān)重要的。當(dāng)有多個電源軌時,挑戰(zhàn)就變得復(fù)雜了。在今天的系統(tǒng)中,采用小型、低功耗和電池供電型設(shè)計這樣的情況越來越多。

電源軌管理的挑戰(zhàn)

電源軌的管理始于一個電源管理集成電路 (PMIC),它根據(jù)需要指定開啟和關(guān)閉流向電源軌的電流。PMIC 還負(fù)責(zé)管理多個電源軌之間的時間和順序。然而,對電源軌的實(shí)際物理層面的控制是負(fù)載開關(guān)的任務(wù),這是一種基于 MOSFET 的安排,可以接受允許電流通過或阻止電流的指示。

除了諸如浪涌電流壓擺率控制和超溫保護(hù)等基本要求外,現(xiàn)在越來越多地要求負(fù)載開關(guān)提供其他功能和特性,如受控掉電、快速輸出放電和真正的反向電流阻斷等,但所有這些都很難用基于分立式 FET 的設(shè)計來實(shí)現(xiàn)。

為了繞過這種復(fù)雜性,同時減少分立式實(shí)現(xiàn)方式所需的成本和電路板空間,設(shè)計人員可以選擇負(fù)載開關(guān) IC,將所需的功能與開關(guān)集成在一個封裝中。這些集成式負(fù)載開關(guān)解決或避免了許多操作性的電源軌問題,也有助于滿足許多移動或電池供電型設(shè)計要求。

負(fù)載開關(guān)基礎(chǔ)知識

基本型負(fù)載開關(guān)只有四個引腳:輸入電壓、輸出電壓、使能和接地(圖 1)。當(dāng)一個邏輯電平控制信號施加到其 ON/OFF 控制引腳(可以是高電平有效或低電平有效)時,該器件即被啟用,然后直通 FET 打開。這允許電流從輸入引腳 VIN 流向輸出引腳 VOUT,從而向負(fù)載電路提供電能。


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負(fù)載開關(guān)不僅僅是一個封裝的直通 FET。至少還包括控制邏輯、場效應(yīng)管驅(qū)動器、電平移位器和各種電路保護(hù)功能,如過流保護(hù)和防回流(也稱為反向電流),而過流和回流都會損壞系統(tǒng)及其元件。它們還可以實(shí)現(xiàn)其他有用的功能,如在電源軌開啟時進(jìn)行壓擺率控制和超溫保護(hù)。

在其最簡單的應(yīng)用中,負(fù)載開關(guān)用在電源和單個負(fù)載的電源軌之間,以便在需要時通過 PMIC 進(jìn)行開啟,或進(jìn)入靜態(tài)狀態(tài)以節(jié)省電力(圖 2)。


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負(fù)載開關(guān)參數(shù)

負(fù)載開關(guān)有幾個關(guān)鍵參數(shù),設(shè)計人員必須評估。其中三個最重要的參數(shù)分別是最大輸入電壓、最大輸出電流和“導(dǎo)通”電阻。其他參數(shù)可能也很關(guān)鍵,具體取決于應(yīng)用需要,包括:

. 靜態(tài)電流 (IQ):為負(fù)載開關(guān)供電所需的電流,其輸出端沒有任何電流。
. 關(guān)斷(待機(jī))電流 (ISD):器件被禁用時流入 VIN 的電流。
. ON 引腳輸入泄漏電流 (ION):器件啟用時流入 ON/OFF 控制引腳的電流。

低靜態(tài)電流和關(guān)斷電流在電池供電型應(yīng)用中越來越重要,如可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)模塊,它們對電池壽命和運(yùn)行時間有很大影響。

過流保護(hù)

負(fù)載開關(guān)的過流保護(hù)功能不僅僅是為了保護(hù)明確的故障,如負(fù)載處的臨時或永久短路。也可能需要緩解輸出電壓下降的結(jié)果,在某些情況下,當(dāng)一個電源軌為幾個負(fù)載供電時,就會出現(xiàn)輸出電壓下降,并且一個負(fù)載的開啟速度會更快(圖 3)。電流需求的突然增加會導(dǎo)致電源的輸出瞬間下降到其額定值以下。這個延遲或恢復(fù)期是由電源的負(fù)載瞬態(tài)性能和負(fù)載的具體情況決定的。


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反過來,這種下降可能導(dǎo)致第二個負(fù)載不能正常啟動或行為不正常。由于這些原因,負(fù)載開關(guān)的限流功能是有用的,因為它可以緩和第一負(fù)載對電流需求增加所引起的輸出電壓下降。

許多系統(tǒng)需要確保其多個負(fù)載以特定的順序通電,并在每個電源軌進(jìn)入活動狀態(tài)之間有確定的時間。在這些情況下,可以在 PMIC 控制下使用多個負(fù)載開關(guān),管理它們的順序和相對時間(圖 4)。


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反向電流阻斷

負(fù)載開關(guān)的反向電流阻斷正如其名稱所述的那樣:當(dāng)輸出側(cè)的電壓高于輸入側(cè)時,它可以防止電流反向流動。

這可能是由于兩種常見的情況造成的。首先,由于斷開的電纜意外擦到了電池端子,甚至在重新連接時出錯,電源(如汽車電池)可能無意中被接反了。它甚至可能是像普通用戶把電池插反了這樣的基本錯誤。

第二種情況有些不太明顯??紤]兩個不同電壓的電源被復(fù)用到一個負(fù)載上的情況(圖 5)。共享輸出側(cè)的電壓可以變得比低電壓電源輸入側(cè)的電壓高。在這種情況下,電流可以從高電壓側(cè)流向低電壓側(cè),從而損壞低電壓源。


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有三種方法來處理反向電流阻斷問題:

最簡單的方法是在輸出端串聯(lián)一個二極管。但是二極管上的電壓降(標(biāo)準(zhǔn)硅二極管為 0.6 伏至 0.8 伏)降低了供電軌電壓,而且二極管必須有足夠的額定功率來耗散相應(yīng)的熱量。

第二種方法是使用一個 MOSFET 與電源軌串聯(lián),但其導(dǎo)通電阻 (RON) 也會導(dǎo)致電壓降,而且其熱耗散要求必須得到滿足。

第三種選擇是使用具有反向電流阻斷功能的負(fù)載開關(guān),它可以實(shí)現(xiàn)所需的防倒流對策,而不需要進(jìn)行折衷。

放電功能

通常情況下,當(dāng)電源多路復(fù)用器關(guān)閉時,自動放電功能會連接 VOUT 和 GND。擁有這種快速輸出放電功能有很多好處:

輸出不是浮動的,總是處于一個已知的狀態(tài)。

下游模塊總被完全關(guān)閉。

然而,在有些情況下,快速輸出放電是不可取的。

如果負(fù)載開關(guān)的輸出連接到電池上,當(dāng)負(fù)載開關(guān)通過 ON 引腳被禁用時,快速的輸出放電會導(dǎo)致電池耗盡。

如果在一個兩輸入、一輸出的多路復(fù)用器中使用兩個負(fù)載開關(guān)(輸出被綁在一起),那么通過快速輸出放電就會不斷地浪費(fèi)功率,因為只要負(fù)載開關(guān)通過 ON 引腳被禁用,電流就會流經(jīng)內(nèi)部電阻到地。

因此,在配置功率復(fù)用器與負(fù)載開關(guān) IC 時,有必要選擇不具備放電功能的負(fù)載開關(guān)。這時就需要一個稱為真正反向電流阻斷的負(fù)載開關(guān)功能。它可以防止從輸出端流向輸入端的反向電流,而不管負(fù)載開關(guān)的 ON/OFF 狀態(tài)如何。

具有這種功能的負(fù)載開關(guān)將輸入電壓 VIN 與 IC 中的輸出電壓 VOUT 進(jìn)行比較,當(dāng) VOUT>VIN 時,防倒流電路啟動(圖 6)。


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與真正的反向電流阻斷和自動放電功能相關(guān)的微妙之處還有更多;在 Toshiba 應(yīng)用說明“負(fù)載開關(guān) IC 的過流保護(hù)功能和反向電流防止功能”中對這些微妙之處進(jìn)行了更詳細(xì)的討論。

新型 IC 針對高增長應(yīng)用

負(fù)載開關(guān)并不新鮮,但它們越來越多地要根據(jù)特定應(yīng)用的要求來進(jìn)行定制。Toshiba TCK12xBG 系列下一代負(fù)載開關(guān)明確地證明了這一點(diǎn),該系列包括三個器件:TCK126BG、TCK127BG 和 TCK128BG(圖 7)。


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這三個 IC 的額定工作電壓為 1.0 至5.5 伏,電流為1 A,它們非常相似,但有些地方稍有不同,以便其以最佳方式匹配特定應(yīng)用的優(yōu)先順序和需求。它們的許多規(guī)格都優(yōu)于其前代產(chǎn)品和現(xiàn)有的競爭設(shè)備。

最突出的是靜態(tài)電流 (IQ) 的減少,從 110 納安 (nA) 降至僅 0.8 nA,減少了99.9%,提升超過兩個數(shù)量級。此外,待機(jī)電流僅為 13 nA。典型導(dǎo)通電阻 RON 在 5.0 伏時為 46 mΩ,3.3 伏時為 58 mΩ,1.8 伏時為 106 mΩ,1.2 伏時為 210 mΩ。

這些負(fù)載開關(guān)的其他屬性均實(shí)現(xiàn)了電氣規(guī)格超越。它們也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 Toshiba 和其他供應(yīng)商提供的相同電壓/電流等級的其他可用器件。它們采用四引線 WCSP4G 封裝,尺寸為 0.645 × 0.645 × 0.465 mm,焊球間距為 0.35 mm。這意味著相比前代間距為 0.4 mm 的 0.79 × 0.79 × 0.55 mm 封裝,該負(fù)載開關(guān)減少了 34% 空間需要(圖 8)。


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這種小尺寸為設(shè)計人員節(jié)省了很大電路板空間,而這一點(diǎn)對于可穿戴設(shè)備等超小型應(yīng)用來說至關(guān)重要。此外,該封裝有一個 25 微米 (μm) 的背面涂層,可以減少物理沖擊和損壞,防止崩裂。

該系列中的三個負(fù)載開關(guān)具有內(nèi)置壓擺率控制驅(qū)動器,在 3.3 伏時上升時間為 363 微秒(μs)。這些開關(guān)之間的區(qū)別在于是否有快速輸出放電功能,以及 ON/OFF 引腳的有效狀態(tài)(圖 9)。


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結(jié)語

如果設(shè)計人員要滿足小型電池供電型設(shè)備(如可穿戴設(shè)備和智能手機(jī))以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對低能耗、小尺寸和低成本的需求,具有高度集成功能的負(fù)載開關(guān)就顯得至關(guān)重要。如上所述,Toshiba 的 TCK12xBG 系列負(fù)載開關(guān)具有靜態(tài)電流低和尺寸更小的優(yōu)勢,帶有滿足功能和保護(hù)要求的集成元件,并簡化了設(shè)計。

(來源:德州儀器)

 

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