负载开关根本电路及开展概略
负载开关根本电路
功率MOSFET是一种具有杰出开关特性的器材：导通时其导通电阻RDS(ON)很小；在关断时其漏电流IDSS很小。别的，它的耐压规模很宽，从几十V到几百V，漏极电源规模宽，从几A到几十A，所以非常适协作负载开关。
N沟道MOSFET能够组成最简略的负载开关，如图1所示。负载接在电源与漏极之间（负载能够是直流电动机、散热电扇、大功率LED、白炽灯泡或螺管线圈等）。在其栅极上加一个逻辑高电平，则N-MOSFET导通，负载得电；在其栅极加一个逻辑低电平，则N-MOSFET关断，负载失电。
图1 用MOSFET组成的负载开关
从图1能够看出，负载开关接是在电源与负载之间，用逻辑电平来操控通、断，使负载得电或失电的功率器材。因为开关在负载的下边，一般称为低端负载开关。
假如负载是一个要求接地的电路（如功率放大电路、发射电路或接纳电路等），则低端负载开关不能用，要选用高端负载开关。高端负载开关首要由P沟道MOSFET组成，如图2所示。图2(a)是由一个P-MOSFET与一个反相器组成的，图2(b)是由一个P-MOSFET与一个N-MOSFET组成的。开关在负载的上面，称高端负载开关。
图2 高端负载开关
以图2(a)来阐明其作业原理。在反相器输入端输入逻辑高电平时，其输出端为低电平，反相器的输出端与P-MOSFET的栅极衔接，则使-VGS≈VIN，P-MOSFET导通，负载得电；若反相器输入端输入逻辑低电平，反相器输出高电平，则使其-VGS≈0V，P-MOSFET关断，负载失电。一般在输入端往往接一下拉电阻，其意图是使负载开关在无操控信号输入时处于牢靠的关断状况。
图2(b)的作业原理与图2(a)相同，读者可自行剖析。
图3 负载开关接负载电路
假如在负载开关与负载之间接了一个大容量电容，如图3所示。当这电容的等效串联电阻非常小时，在负载开关导通的瞬间，有较大的瞬态电流（冲击电流，如图3右图所示）流过开关管。为减小冲击电流，在负载开关中添加了C1及R2，如图4所示。当负载开关在导通后的瞬间，输入电压经P管后加在C1及R2上（Q1的导通电阻略而不计），其电压首要降在R2上，减小了-VGS，减小ID电流，即减小冲击电流。C1≤1000pF，R1=10～47kΩ，R2=1～4.7kΩ。
图4 负载开关根本电路
图2、图4是负载开关的根本电路。因为电路非常简略，能够由分立元件组成，但现在有现成的集成电路，使使用更便利，占PCB面积也更小。
负载开关的开展
从负载开关根本电路来看，其特点是结构简略，缺陷是短少过热维护（负载有部分短路或输出有短路）。在有短路时不只负载、负载开关损坏，而且因为电源过载关断会使整个设备、体系不能正常作业。因而近年来，人们依据负载开关的使用状况作了不少的改善，改善了功用、提高了作业牢靠性、添加了功用。
1 在安全维护方面
①在负载开关中添加过热封闭电路。假如有发作负载部分短路或短路状况时，使负载开关的管芯温度超越过热阈值温度（如125℃），则过热封闭电路起作用将负载开关堵截。不只阻挠了负载更大的损坏，也使电源不因负载短路而影响向其他电路供电。在过热毛病发作时，负载开关还输出毛病信号（给微处理器μP）以奉告毛病的存在。别的还有输入欠压锁存维护功用。
②在负载开关中添加限流电路。负载开关中没电流检测及限流输出电路。它有两种结构：约束电流值是工厂设定的；约束电流可由用户外设一个电阻设定。发作过流状况时，负载开关输出毛病信号。
具有限流输出的负载开关，不只提高了作业的牢靠性及安全性，而且这种负载开关还能够用作功率分配开关、热插拔插座、USB端口。有的负载开关在过流时便输出锁存（无输出），则这种负载开关可看作“电子保险丝”在排除过流毛病后，重新发动后可正常作业。有的负载开关在过流时，以约束的电流（恒流）持续给负载供电。
2 在开关功用方面
跟着半导体工艺技术的前进，单个分立器材MOSFET的导通电阻逐年下降，导通电阻小的可做到几mΩ。集成负载开关中的MOSFET导通电阻稍大，现在可做到几十mΩ左右。为了改善开关的功用，使开关慢发动（慢发动是指开关接通时，其电压上升率是一个斜坡，避免有过大的冲击电流）、快关断。电压上升的斜率有几种：由工厂设定几种斜率（发动时刻不同），供用户挑选；由用户在器材外设一电容，设定其发动时刻。为了快速关断开关，在负载开关中设有关断时输出有放电电路，如图5所示。在负载开关关断时，N-MOSFET导通，电容往N管放电，加快关断时刻。
图5 负载开关中的输出有用放电电路
3 其他方面
为了习惯便携式电子产品对负载开关的使用需求，在以下几方面作了改善：作业电压合适电池供电电压，一般为 1.8～5.5V或1.2～5.5V；为满意更低的电压，最低输入电压为0.8V；削减静态电流，一般为几μA（静态电流巨细与负载开关内部的电路负载程度有关），典型值为1μA。单个较简略的负载开关，其静态电流IQ=25μA；输出电流一般0.2～6A，可满意各种便携式的要求；为满意便携式体积小的要求，负载开关选用小尺度封装，一般选用SOT-23封装、2mm×2mm的MLP或MLF封装、SC-70封装，最小的选用6焊球BGA封装，其封装尺度仅为1.5mm×1.0mm；在电源关断时，无反向电流。
使用流域的扩展
负载开关是一种通用功率开关器材，曩昔首要使用于工业操控及汽车工业等。近年来，跟着便携式电子产品的开展，如PDA、手机、数码相机等纤巧产品很多上市，为了节约电能，除了使用高效率的电源办理IC外，还需求多个负载开关，并由微处理器进行操控组成负载办理（在不同的作业状况时，给有用的负载供电，将不必的负载通通关断）。图6便是一种负载办理的结构示意图。在图中，电源办理IC有5路输出（3路DC/DC转换器、2路LDO）。DC/DC1的输出供3个并联的负载1～负载3。为了操控负载1～3的通电或断电，在DC/DC1与3个负载之间加接了3个负载开关（负载开关1～3），其操控端接微处理器I/O口，由微处理器操控其通、断来完成负载办理。
图6 负载办理结构拓扑
负载开关添加电流约束功用后，可用作计算机外设供电端口（USB），而且可做成热插拔电源插座，也可做成功率分配开关。
图7 输出约束电流可调理的USB端口电路
图7是一种输出约束电流可调理的USB端口电路。该电路由MIC2008作功率分配开关，由USB操控器对功率分配开关完成操控。约束的电流由外设电阻R来设定（约束电流规模为0.2～2.0A）。该功率分配开关的输出电压上升率（发动时刻）可由外设电容C来设定，内部有过热维护及输入电压过低时输出锁存维护。
典型负载开关简介
近年来，FAIRCHILD公司、ANALOGIC TECH公司、MICREL公司等相继开宣布多种新式负载开关。因为这些负载开关功用较全，所以被称为“全接触”或“智能开关”。这儿简略地介绍FAIRCHILD公司的FPF2163/4/5及ANALOGIC TECH公司的AAT4297负载开关。
1 FPF2163/4/5系列
FPF2163/4/5系列负载开关是一种输出电流可设定的多功用负载开关。该系列首要特点：输入电压1.8～5.5V；约束电流可设定规模为0.15～1.5A；输入电压低于阈值电压时，输出锁存（UVLO）；有过热封闭；静态电流最大值为77μA（典型值），开关关断时耗电小于2μA；发作欠压锁存、过热、过流毛病时，有毛病信号输出；开关关断时无反向电流；小尺度FET-6封装（2mm×2mm）；作业温?上有一些不同，如表1所示。用户可依据产品的要求挑选。
该系列负载开关首要用于PDA、手机、GPS、MP3播放器、数码相机、外设端口及热插拔电源等。FPF2164可用作“电子保险丝”。
图8 FPF2163/4/5引脚摆放
该系列引脚摆放如图8所示，其典型使用电路如图9所示。
图9 FPF2163/4/5典型使用电路
在图9中，输入电容CIN为1μF，输出电容COUT为0.1μF，10kΩ为毛病信号输出的上拉电阻（内部为开漏输出结构），RSET为限流设定电阻，设定的限流电流ILIM与RSET的关系为：
RSET=275.6/ILIM
式中，RSET的单位为Ω，ILIM的单位为A。设定的约束电流有必定的允差，允差规模为±25%。
在ON端加逻辑高电平（VIN=1.8V时＞0.8V，VIN=5.5V时＞1.4V）时开关导通；在ON端加逻辑低电平（VIN =1.8V时＜0.5V，VIN=5.5V时＜1V）时，开关关断。
2 AAT4297
AAT4297是一种用于手机操控LED的负载开关。在手机中有不少LED，它们用作单色或五颜六色LCD显示屏的背光照明、键盘的照明及相机的LED闪光灯。有一些双显示屏的副屏及键盘的背光能够改动其色彩以满意客户的不同喜欢。这一些LED的不同作业状况可选用一种新式操控LED的负载开关进行办理，这便是AAT4297。它除用于手机外，还能够用于多路小功率负载开关、个人通讯设备及其他便携式电子产品的负载办理。
该器材首要特点：输入电压规模为1.8～5.5V；内部有6个低端N交流MOSFET开关，每个开关都是独立的；可选用单个串行操控线（S2C线）对各个开关完成通、断操控；静态电流少，典型值为3μA；每个开关可驱动208mA；无须其他外围元件；12引脚TSOP封装；作业温度规模-40～+85℃。
图10 AAT4297的引脚框图
该器材的结构框图如图10所示。EN/SET为使能/开关挑选端，与μP的串行口衔接，输入6位数字信号（000000～111111）后置高电平，可完成6个开关64种不同的通、断状况。VCC输入 1.8～5.5V电压，S1～S6为各开关的漏极（开漏输出结构），外接LED负载。假如输入6位数字信号都是1后置高，外接6个LED（LED1～LED6）都亮；若输入的数字信号是010011，则LED1、LED3、LED4灭，LED5、LED6亮，当EN/SET端入信号由高电平变成低电平时，则一切亮的LED都灭。
图11 AAT4297典型使用电路
其典型使用电路如图11所示。S1～S3接三基色（RGB）LED，RR、RG、RB、为各色LED的限流电阻。使用红、绿、蓝三种不同发光色彩的组合，能够发生7种不同的色彩。例如，红、绿、蓝三种LED以必定的发光强度亮时，可发生白光；红、绿两LED亮时可发生橙色光。假如有需求也可并接多个RGB LED。S4接D1～D4白光LED，它用作五颜六色主显示屏背光照明，S6接闪光灯LED，作相机闪光灯用。
依据手机的不同作业状况，由μP向EW/SET输入不同的数字信号，可完成LED的负载办理。数字信号的频率可高达1MHz。使用输入EN/SET信号使LED亮的时刻与灭的时刻替换进行，改动亮、灭的时刻，能够完成LED亮度调理。
从图11看出，仅用μP一条串行操控线就能够对一切LED负载完成办理，并可改动背光色彩及调理亮度，这个LED负载开关器材的功用及功用是很不错的，它是时尚手机中常用的负载办理IC。
