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。