針對(duì)便攜設(shè)備的高端負(fù)載開(kāi)關(guān)及其關(guān)鍵應(yīng)用參數(shù)

1、針對(duì)便攜設(shè)備的高端負(fù)載開(kāi)關(guān)及其關(guān)鍵應(yīng)用參數(shù)對(duì)于各具特色的移動(dòng)電話(huà)、移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)小玩意等電池供電的便攜式設(shè)備應(yīng)用來(lái)說(shuō)，高端負(fù)載開(kāi)關(guān)向來(lái)受到眾多工程師和設(shè)計(jì)人員的青睞。本文將以易于理解的非數(shù)學(xué)方式全方位介紹基于的高端負(fù)載開(kāi)關(guān)，并研究在設(shè)計(jì)和挑選過(guò)程中必需考慮的各種參數(shù)。高端負(fù)載開(kāi)關(guān)的定義是：它通過(guò)外部使能信號(hào)的控制來(lái)銜接或斷開(kāi)至特定負(fù)載的電源(電池或適配器)。相比低端負(fù)載開(kāi)關(guān)，高端負(fù)載開(kāi)關(guān)“流出”至負(fù)載，而低端負(fù)載開(kāi)關(guān)則將負(fù)載接地或者與地?cái)嚅_(kāi)，因此它從負(fù)載“汲入”電流。高端負(fù)載開(kāi)關(guān)不同于高端電源開(kāi)關(guān)。高端電源開(kāi)關(guān)管理輸出電源，因此通常會(huì)限制其輸出電流。相反地，高端負(fù)載開(kāi)關(guān)將輸入和電流傳遞給“負(fù)載

2、”，并且它不具備電流限制功能。高端負(fù)載開(kāi)關(guān)包含三個(gè)部分：傳輸元件：本質(zhì)上是一個(gè)晶體管，通常為一個(gè)增加型mosfet。傳輸元件在線(xiàn)性區(qū)工作，將電流從電源傳輸至負(fù)載，就像一個(gè)“開(kāi)關(guān)”(與相對(duì)應(yīng))。柵極控制：向傳輸元件的柵極提供電壓來(lái)控制導(dǎo)通或關(guān)斷。它還被稱(chēng)為電平轉(zhuǎn)換電路，外部使能信號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生足夠高或者足夠低的柵極電壓(偏置電壓)來(lái)全面控制傳輸元件的導(dǎo)通和關(guān)斷。輸入規(guī)律電路：主要功能是說(shuō)明使能信號(hào)，并觸發(fā)柵極控制電路來(lái)控制傳輸元件的導(dǎo)通和關(guān)斷。傳輸元件傳輸元件是高端開(kāi)關(guān)最基本的組成部分。最常?？紤]的參數(shù)，特殊是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的阻抗(rdson)，與傳輸元件的結(jié)構(gòu)和特性有挺直關(guān)系。因?yàn)樵黾有蚼o

3、sfet普通在工作期間消耗的電流較少，在關(guān)斷期間泄漏的電流也較少，并且具有比雙極晶體管更高的熱穩(wěn)定性，所以被廣泛用作高端負(fù)載開(kāi)關(guān)中的傳輸元件。本文將特地介紹基于增加型mosfet的傳輸元件。增加型mosfet傳輸元件可以是n溝道fet，也可以是p溝道fet。當(dāng)n溝道fet的柵極電壓(vg)比其源極電壓(vs)和漏極電壓(vd)高出一個(gè)閾值(vt)時(shí)，n溝道fet就會(huì)被徹低轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)或者工作于其線(xiàn)性區(qū)。以下式子給出了導(dǎo)通條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式：vgvsvgsvtvgvtvd或者是，vgsvtvds其中，vg為柵極電壓、vs為源極電壓、vd為漏極電壓、vt為fet的閾值電壓、vgs為柵源極壓降、vd

4、s為漏源極壓降，全部參數(shù)均為正。圖1：具有內(nèi)置電荷泵的n溝道fet高端負(fù)載開(kāi)關(guān)。當(dāng)n溝道fet導(dǎo)通時(shí)，漏極電流id為正，從漏極流向源極(1和圖2所示)。當(dāng)p溝道fet的柵極電壓(vg)比其源極電壓(vs)和漏極電壓(vd)低出一個(gè)閾值(vt)時(shí)，p溝道fet就會(huì)被徹低轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)或者工作于其線(xiàn)性區(qū)：圖2：具有額外vbias輸入的n溝道fet高端負(fù)載開(kāi)關(guān)。vsvgvsgvtvdvtvg或者是， vsgvtvsd其中，vg為柵極電壓、vs為源極電壓、vd為漏極電壓、vt為fet的閾值電壓、vsg為源柵極壓降、vsd為源漏極壓降，這里的全部參數(shù)也均為正的。當(dāng)p溝道fet處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，漏極電流id

5、為負(fù)，從源極流向漏極(圖3)。n溝道fet將電子用作“多數(shù)載流子”，與p溝道fet的“多數(shù)載流子”空穴相比，電子具有更高的移動(dòng)率。這意味著，在相同的物理密度下，n溝道fet比p溝道fet具有更高的跨導(dǎo)，從而使得在導(dǎo)通狀態(tài)期間產(chǎn)生較低的漏源極阻抗(即rdson)。n溝道fet的rdson普通為相同尺寸的p溝道fet的rdson的1/3"1/2，漏極電流id也會(huì)高出相應(yīng)的倍數(shù)(未考慮銜接線(xiàn)厚度和封裝等其它限制參數(shù))。這還表示，對(duì)于相同的rdson和id，n溝道fet普通需要較少的硅片，因此它的柵極和閾值電壓比p溝道fet要低。圖3：p溝道fet高端負(fù)載開(kāi)關(guān)。此外，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)n溝道f

6、et的vd比vg低vt，并且vd普通與vin相連，因此有可能傳遞給負(fù)載的vin十分低。理論上講，n溝道fet開(kāi)關(guān)的vin可以低至臨近gnd，并且不高于vg-vt。另一方面，p溝道fet開(kāi)關(guān)傳遞給負(fù)載的vin(與vs相連)總是高于vg+vt。但這并不表示在任何狀況下挑選傳輸元件時(shí)n溝道fet都比p溝道fet好。如上所述，n溝道fet的一個(gè)基本屬性是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)工作在線(xiàn)性區(qū)，vg要比vd高vt。但是，因?yàn)関d幾乎總是與vin(通常是開(kāi)關(guān)的最高電壓)相連，因此vg必需從現(xiàn)有電壓(如外部使能信號(hào)en)舉行由低向高的電平轉(zhuǎn)換，或者通過(guò)直流偏移舉行從低向高的偏置，直流偏移是單個(gè)新的高壓軌，通常被稱(chēng)為“vbi

7、as”。假如柵極電壓從使能信號(hào)舉行從低向高的電平轉(zhuǎn)換，通常需要一個(gè)電荷泵作為附加的內(nèi)部電路。電荷泵需要一個(gè)內(nèi)置的，芯片上起碼需要一個(gè)“迅速”(flying)，從而產(chǎn)生柵極電壓(通常是在導(dǎo)通過(guò)程中的多個(gè)使能信號(hào))。這固然增強(qiáng)了設(shè)計(jì)復(fù)雜性和硅片大小，從而抵消了n溝道fet因rdson較低所帶來(lái)的硅片縮小的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)負(fù)載電流相對(duì)較低(幾安培)時(shí)，電荷泵的確會(huì)增強(qiáng)硅片面積，并且增強(qiáng)的面積比rdson所能縮小的面積要大，這使得n溝道開(kāi)關(guān)解決計(jì)劃的成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性要高于p溝道開(kāi)關(guān)計(jì)劃。更多詳情1所示。假如柵極電壓通過(guò)直流偏移vbias舉行從低向高的偏置，就不再需要電荷泵，從而硅片面積的增強(qiáng)也不再是主要問(wèn)題。

8、但是因?yàn)榭赡懿痪邆漕~外的高壓軌(這是大多數(shù)電池供電的設(shè)置和器件都需要的)，因此這可能不是系統(tǒng)級(jí)的最佳解決計(jì)劃(圖2)。而在p溝道fet中，vg通常低于vs(與vin相連)。只要開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)vs保持在vg±vt的范圍，那么它將始終工作在線(xiàn)性區(qū)，并且不需要特定的內(nèi)部電路或外部電壓軌。這是通過(guò)采納柵極控制電路將使能信號(hào)的電平從高向低轉(zhuǎn)換至適當(dāng)?shù)膙g電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此計(jì)劃不需要太多的電路或者額外的硅片面積(見(jiàn)圖3)。n溝道高端負(fù)載開(kāi)關(guān)通常是要求極低rdson的高功率系統(tǒng)或者要求將臨近gnd的低vin傳遞給負(fù)載的低輸入電壓系統(tǒng)的抱負(fù)挑選。另一方面，p溝道高端負(fù)載開(kāi)關(guān)在要求設(shè)計(jì)復(fù)雜度不高的低功率系統(tǒng)

9、或者要求將高vin傳遞給負(fù)載的高輸入電壓系統(tǒng)中具有一定優(yōu)勢(shì)。柵極控制柵極控制電路或者電平轉(zhuǎn)換電路通過(guò)控制mosfet的vg來(lái)實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)通或關(guān)斷。柵極控制電路的輸出由從輸入規(guī)律電路收到的輸入挺直打算。在導(dǎo)通期間，柵極控制電路的主要任務(wù)是對(duì)使能信號(hào)舉行電平轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生高(n溝道)或低(p溝道)vg來(lái)徹低導(dǎo)通開(kāi)關(guān)。同樣，在關(guān)斷期間，柵極控制電路產(chǎn)生低(n溝道)或高(p溝道)vg來(lái)徹低關(guān)斷開(kāi)關(guān)。許多高端負(fù)載開(kāi)關(guān)都在柵極控制電路中采納“斜率控制”或“軟啟動(dòng)”功能。斜率控制功能可以在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)限制vg的升高速度，從而逐步產(chǎn)生id。其目的是為了庇護(hù)負(fù)載不受過(guò)多“電涌”的影響，電涌有可能導(dǎo)致栓鎖等故障。負(fù)載有時(shí)

10、不僅僅具有阻抗性，也會(huì)具有高容性。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，聚攏在容性負(fù)載上的電荷不會(huì)快速放電，這會(huì)導(dǎo)致負(fù)載沒(méi)有徹低關(guān)斷。為了避開(kāi)這種狀況，一些高端負(fù)載開(kāi)關(guān)加入了“活動(dòng)負(fù)載放電”功能，其目的是提供一個(gè)電流通路，在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)使容性負(fù)載快速放電。通常采納一個(gè)小型低端fet來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。圖4是該辦法的暗示圖，其中，底部n溝道fet的柵極與柵極控制內(nèi)核相連，漏極與負(fù)載相連，當(dāng)頂部的主開(kāi)關(guān)p溝道fet關(guān)斷時(shí)，底部的n溝道fet導(dǎo)通，以使容性負(fù)載放電。圖4：mic94060/1/2/3p溝道高端負(fù)載開(kāi)關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖。輸入規(guī)律輸入規(guī)律電路的唯一功能是說(shuō)明使能信號(hào)，并將正確的規(guī)律電平傳遞給柵極控制電路，以便柵極控制電

11、路能夠以輸入規(guī)律電平控制傳輸元件的導(dǎo)通和關(guān)斷。輸入規(guī)律電路只采納下拉就可以實(shí)現(xiàn)。在某些狀況下，使能信號(hào)和柵極控制電路之間需要緩沖器。這是由于使能信號(hào)無(wú)法為柵極控制電路提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)vg，而緩沖器卻可以充當(dāng)額外驅(qū)動(dòng)電流的來(lái)源。關(guān)鍵應(yīng)用參數(shù)工程師在設(shè)計(jì)中采納高端負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)需要考慮一些關(guān)鍵應(yīng)用參數(shù)。第一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是id。這是在設(shè)計(jì)周期早期挑選的系統(tǒng)級(jí)參數(shù)。高端負(fù)載開(kāi)關(guān)的id由mosfet物理特性(n溝道或p溝道)、mosfet的尺寸、銜接線(xiàn)的物理特性(長(zhǎng)度和厚度)以及封裝的熱性能等參數(shù)打算。通常，高id開(kāi)關(guān)為n溝道，采納熱增加型封裝，而低id開(kāi)關(guān)為p溝道，采納小型封裝。其次個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為rd

12、son。當(dāng)選定id時(shí)，rdson越低就越好。這是由于較低的rdson可以提高總效率、降低vin和負(fù)載之間的壓降并減輕開(kāi)關(guān)的散熱壓力。表1：n溝道fet開(kāi)關(guān)和p溝道fet開(kāi)關(guān)的比較。假如id和rdson都已確定，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)考慮開(kāi)關(guān)的以下四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)、關(guān)斷電源電流、關(guān)斷泄漏電流和封裝尺寸。對(duì)于高端負(fù)載開(kāi)關(guān)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)是指負(fù)載電壓隨著使能信號(hào)規(guī)律電平的變幻從gnd升至vout(=vin-rdson×id)或者從vout降至gnd所用的時(shí)光。當(dāng)使能信號(hào)在傳揚(yáng)延遲或?qū)ㄑ舆t時(shí)光(ton_dly)之后使能時(shí)(由柵極控制電路和輸入規(guī)律電路引起)，vg將轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通開(kāi)關(guān)所需的足夠高(或足夠

13、低)的電平。此時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓(n溝道fet開(kāi)關(guān)的輸出電壓為vs，p溝道fet開(kāi)關(guān)的輸出電壓為vd)開(kāi)頭升高，電壓達(dá)到滿(mǎn)vout所用的時(shí)光稱(chēng)為導(dǎo)通升高時(shí)光(ton_rise)。要求迅速響應(yīng)的應(yīng)用需要ton_dly和ton_rise足夠短，而需要軟件啟動(dòng)來(lái)限制電涌的應(yīng)用則要求ton_dly和ton_rise相對(duì)較長(zhǎng)，這取決于系統(tǒng)要求。同樣，當(dāng)使能信號(hào)在傳揚(yáng)延遲或關(guān)斷延遲時(shí)光(ton_dly)之后使能無(wú)效時(shí)，vg將轉(zhuǎn)換至關(guān)斷開(kāi)關(guān)所需的足夠低(或足夠高)的電平。此時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓從滿(mǎn)vout開(kāi)頭下降，電壓下降到gnd所用的時(shí)光稱(chēng)為關(guān)斷下降時(shí)光(toff_fail)。通常要求toff_dly和

14、toff_fail足夠短，以便負(fù)載能夠快速被關(guān)斷。假如負(fù)載具有較大的容性元件，活動(dòng)負(fù)載放電功能將有助于減小toff_fail。關(guān)斷電源電流和關(guān)斷泄漏電流也是需要考慮的重要參數(shù)，特殊是在設(shè)計(jì)需要較長(zhǎng)的電池工作時(shí)光的電池供電設(shè)備時(shí)。關(guān)斷電源電流是內(nèi)部電路在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)消耗的電流。關(guān)斷泄漏電流是開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)mosfet傳遞給輸出的電流。關(guān)斷電源電流和關(guān)斷泄漏電流越低，系統(tǒng)總效率就越高。對(duì)于電池供電的應(yīng)用，這可以獲得更長(zhǎng)的電池工作時(shí)光。對(duì)于封裝尺寸(管腳面積和形狀輪廓)而言，很顯然是越小越好。特殊是對(duì)于空間有限的低電流系統(tǒng)(電池供電的手持設(shè)備)中用法的p溝道開(kāi)關(guān)，狀況更是如此。micrel公司提供一套完整的p溝道fet高端負(fù)載開(kāi)關(guān)，目標(biāo)市場(chǎng)為電池供電的便攜式設(shè)備。最新成員mic94060/1/2/3產(chǎn)品系列擁有業(yè)內(nèi)率先的