Load Switch负载开关详解

什么是负载开关？

集成负载开关是可用于开启和关闭电源轨的集成电子继电器。大部分基本负载开关包含四个引脚：输入电压引脚、输出电压引脚、使能引脚和接地引脚。当通过ON 引脚使能器件时，导通FET 接通，从而使电流从输入引脚流向输出引脚，并且电能传递到下游电路。

1 常规负载开关框图

了解负载开关的架构对于确定负载开关的规范很有帮助。图2所示为基本负载开关的框图，该负载开关包括五个基本模块。可以包含更多模块以向负载开关添加功能。

图2. 常规负载开关框图

导通FET 是负载开关的主要元件，它决定了负载开关可处理的最大输入电压和最大负载电流。负载开关的导通电阻是导通FET 的特性，将用于计算负载开关的功耗。导通FET 既可以是N 沟道FET，也可以是P 沟道FET，这将决定负载开关的架构。
栅极驱动器以控制方式对FET 的栅极进行充放电，从而控制器件的上升时间。
控制逻辑由外部逻辑信号驱动。它控制了导通FET 和其它模块（如快速输出放电模块、充电泵和带保护功能的模块）的接通和关断。
并非所有负载开关中均包含电荷泵。电荷泵用于带有N 沟道FET 的负载开关，因为栅极和源极(VOUT) 间需要有正差分电压才能正确接通FET。
快速输出放电模块是一个连接VOUT 到GND 的片上电阻，当通过ON 引脚禁用器件时，该电阻导通。这将对输出节点进行放电，从而防止输出浮空。对于带有快速输出放电模块的器件，仅当VIN 和VBIAS 处于工作范围内时，此功能才有效。
不同的负载开关中还包括其它功能。这些功能包括但不限于热关断、限流和反向电流保护。

2 数据表参数

下面列出了负载开关的常见数据表参数和定义。

• 输入电压范围(VIN) – 这是负载开关可支持的输入电压范围。
• 偏置电压范围(VBIAS) – 这是负载开关可支持的偏置电压范围。为负载开关的内部模块供电可能需要
此参数，具体取决于负载开关的架构。
• 最大连续电流(IMAX) – 这是负载开关可支持的最大连续直流电流。
• 导通状态电阻(RON) – 这是在VIN 引脚与VOUT 引脚间测得的电阻，其中考虑了封装和内部导通
FET 的电阻。
• 静态电流(IQ) – 这是为器件的内部模块供电所需的电流量，以VOUT 上没有任何负载时流入VIN 引
脚的电流为测量值。
• 关断电流(ISD) – 这是禁用器件时流入VIN 的电流量。
• ON 引脚输入漏电流(ION) – 这是ON 引脚上施加高电压时流向ON 引脚的电流量。
• 下拉电阻(RPD) – 这是禁用器件时从VOUT 到GND 的下拉电阻值。

2. 为什么需要负载开关

本部分将概述一些可以通过使用负载开关获得好处的应用。

2.1 配电

许多系统对子系统配电的控制有限。如图3 所示，可使用负载开关来接通和关断输入电压相同的子系统，而不使用多个DC/DC 转换器或LDO。使用负载开关后，可通过对各个负载的控制在不同负载间进行配电。

图3. 配电框图

2.2 上电排序和电源状态转换

在某些系统（尤其是带有处理器的系统）中，必须遵循严格的上电时序。通过使用GPIO 或I2C 接口，负载开关成为可实现满足上电要求的上电排序的简单解决方案。负载开关可提供每个电源路径的独立控制，从而简化上电排序的负载点控制，如图4 所示。

图4. 使用负载开关的上电排序

2.3 降低漏电流

在许多设计中，存在只在特定工作模式期间使用的子系统。可以使用负载开关关闭这些子系统的电源来限制漏电流量和功耗。图5 显示了使用和不使用负载开关时的漏电流对比情况。有关详细信息，请参见输入和输出电容部分。

图5. 使用和不使用负载开关时的漏电流对比情况

在一些应用中，可禁用电路（如DC/DC 转换器、LDO 和模块）并将其置于待机模式。但即使是处于关断状态，这些模块的漏电流也相对较高。如上图所示，在负载前面放置一个负载开关可显著减小漏电流。因此，在电源路径中放置一个负载开关可大幅降低功耗。

2.4 浪涌电流控制

在没有任何转换率控制的情况下开启子系统时，可能会由于负载电容快速充电产生浪涌电流而导致输入轨下陷。由于此输入轨可能正在为其它子系统供电，因此这会引发问题（图6）。负载开关可以通过控制输出电压的上升时间来消除输入电压的下陷，从而解决此问题（图7）。浪涌电流与负载电容成正比，稍后将在4.2 节部分对此进行说明。

图7. 使用负载开关的转换率控制

2.5 断电控制

当不带快速输出放电功能的DC/DC 转换器或LDO 关闭时，负载电压保持浮空，断电取决于负载，如图8 所示。这可能导致出现预想外的动作，因为下游模块并未在断电后到达指定状态。

图8. 未使用负载开关时的不受控断电

使用带快速输出放电功能的负载开关可缓解这些问题。负载将以受控方式快速断电，并将复位为已知的良好状态以备下次上电，如图9 所示。这将消除负载上的任何浮空电压并确保其始终处于定义的电源状态。有关详细信息，请参见快速输出放电(QOD) 部分。

图9. 使用负载开关时的受控断电

2.6 保护特性

某些应用可能需要负载开关中集成故障保护功能。一些负载开关包括反向电流保护、ON 引脚滞后、限流、欠压锁定和过热保护等集成功能。与通过离散元件实现这些复杂电路不同，使用集成负载开关可减少物料清单数量、减小解决方案尺寸并缩短开发时间。下面简要介绍了其中一些功能：
• 反向电流保护功能将阻止电流从VOUT 引脚流向VIN 引脚。如果没有此功能，当二极管压降导致 VOUT 上的电压高于VIN 上的电压时，电流可能从VOUT 引脚流向VIN 引脚。因此，反向电流阻断可使某些应用获益，如电流不应从VOUT 流向VIN 的电源多路复用器应用。有许多不同的方法可实现反向电流保护。在某些情况下，器件（如TPS22912）将监视VIN 引脚和VOUT 引脚上的电压。当此差分电压超出特定阈值时，开关将被禁用，同时体二极管断开以防止出现流向VIN 的反向电流。某些器件（如TPS22963C）只有在被禁用时才具有反向电流保护功能。
• ON 引脚滞后功能可使GPIO 使能更稳定。由于ON 引脚上存在逻辑高电平与逻辑低电平的电压差，即使GPIO 线上出现噪声，控制电路也将按预期工作。图10 说明了ON 引脚滞后如何为GPIO 使能线提供稳定性。

• 限流功能将限制负载开关输出的电流量。这将确保外部电路不会拉过量的电流。如果电流不受限制，外部电路可能会使主系统停止工作。在限流模式下，负载开关提供连续电流，直至开关电流降至电流限值以下。
• 欠压锁定(UVLO) 用于在VIN 电压降至阈值以下时关闭器件，以确保下游电路不会因为供电电压低于预期值而损坏。
• 过热保护功能可在器件温度超出阈值温度时禁用开关。凭借此功能，器件可用作在检测到高温时关断的安全开关。

图10. ON 引脚滞后

2.7 减少BOM 数量和PCB 面积

使用集成负载开关可减少系统的BOM 数量。如果有离散FET 与其它元件配合使用，则可以考虑使用负载开关来减少系统中的元件总数。分离创建负载开关时，将需要多个电阻、电容和晶体管来实现栅极驱动器、控制逻辑、输出放电和保护功能。而采用集成负载开关，只需单个器件便可实现全部功能，从而显著降低
BOM 数量。

3. 部件选择和设计考量

本部分将介绍选择负载开关时需注意的规范。

3.1 NMOS 与PMOS

在NMOS 器件中，通过使栅极电压高于源极电压来使导通FET 接通。通常，源极电压与VIN 端子处于相同电势。要使栅极和源极间产生上述电压差，需要一个电荷泵。使用电荷泵将增大器件的静态电流。
在PMOS 器件中，通过使栅极电压低于源极电压来使导通FET 接通。PMOS 器件的架构无需电荷泵，因此其静态电流比NMOS 器件的静态电流低。
基于PMOS 的架构与基于NMOS 的架构的一个主要差别是，基于PMOS 的负载开关在低电压下性能欠佳，而NMOS 器件在低输入电压应用中性能良好。

3.2 导通状态电阻(RON)

导通状态电阻(RON) 是一个极为重要的参数，因为它决定了负载开关的压降和功耗。RON 越大，负载开关的压降越大，功耗越高。有关确定压降和功耗的计算方法，请参见4 节。

3.3 电压(VIN) 和电流(IMAX) 额定值

决定使用哪种负载开关时的重要考虑因素之一是应用所需的电压和电流。负载开关必须能够支持稳态工作期间所需的直流电压和电流，以及瞬变电压和峰值电流。需要注意的是，一些负载开关需要偏置电压来开启器件和偏置内部电路。此偏置电压与输入电压无关。

3.4 关断电流(ISD) 和静态电流(IQ)

静态电流是负载开关接通时消耗的电流。除I2R 损耗外，静态电流还将决定负载开关接通时的功耗量。如果负载电流足够大，则静态电流引起的功耗可忽略不计。
关断电流决定了负载开关通过ON 引脚被禁用时的功耗量。使用负载开关切断子系统电源可显著降低电源轨的待机功耗。有关说明此参数重要性的示例，请参见5.2 节。

3.5 上升时间(tR)

上升时间因器件而异。上升时间可能需要较短，也可能较长，具体取决于应用。此外，浪涌电流与上升时间成反比。了解系统所能接受的浪涌电流是十分有益的。有关详细信息，请参见4.2 节。

3.6 快速输出放电(QOD)

一些负载开关具有内部电阻，该电阻会在开关关断时将输出拉至地，以避免输出浮空。要使快速输出放电功能起作用，输入电压引脚上的电压需处于工作范围内。
快速输出放电功能有诸多好处，例如：
• 输出不会浮空并且始终处于已确定状态。
• 下游模块始终完全关闭。
不过，仍有应用无法从快速输出放电功能中受益。
• 如果负载开关的输出与电池相连，则通过ON 引脚禁用负载开关时，快速输出放电会导致电池电量耗尽。
• 如果两个负载开关用作双输入单输出多路复用器（其中，二者输出连在一起），则负载开关无法提供快速输出放电功能。否则，快速输出放电期间将持续浪费电能，因为只要通过ON 引脚禁用负载开关，电流就会通过内部电阻流向地。

3.7 封装尺寸

集成负载开关提供各种不同的形状和尺寸。确保应用能够接受负载开关是十分重要的。在空间受限的系统中，可能需要选择较小的封装尺寸。例如，可能不需要使用0.4mm 间距的器件，所以选择部件时不应考虑 0.4mm 间距的器件。因此，选择器件时应考虑封装尺寸。

3.8 输入和输出电容

在负载开关应用中，应放置输入电容，以限制由流入已放电的负载电容的瞬变浪涌电流所导致的输入电源压降。强烈建议在VIN 和GND 之间靠近VIN 端子的位置放置1 μF 电容(CIN)。较大的电容将降低大电流应用期间的压降。尽管强烈推荐，但这并非负载开关工作所必需。
移除电源时，VOUT 和GND 之间的总输出电容(CL) 可能会使VOUT 上的电压超过VIN 上的电压，对于不具备反向电路保护功能的器件，这可能导致电流从VOUT 经导通FET 中的体二极管流向VIN。为防止出现这种情况，建议（但不要求）输入电容和负载电容保持10:1 的比值。

4.基本计算

本部分介绍可用于确定负载开关所需规范的计算方法。

4.1 压降

要为应用确定合适的器件，必须了解应用可接受的负载开关压降大小。可接受的压降越低，负载开关的RON 也必须越低。使用公式1 来确定VIN 到VOUT 的压降：

其中：
ΔVmax = VIN 到VOUT 的最大压降
ILOAD = 负载电流
RON, max = 给定VIN 对应的器件最大导通电阻

4.2 浪涌电流

要确定CL 电容产生的浪涌电流的大小，请使用公式2：

其中：
IINRUSH = CL 产生的浪涌电流的大小
CL = VOUT 上的总电容
dVOUT = 启用器件时VOUT 的电压变化
dt = VOUT 电压变化dVOUT 所用的时间
浪涌电流的值由VOUT 上的总电容和VOUT 电压的变化率决定。因此，必须确保选择合适的负载开关上升时间，使器件超出数据表中指示的启动时最大规范值（尤其是IPLS）。一些器件具有单独的CT 引脚，从而可通过CT 引脚与GND 之间的外部电容来设定上升时间。

4.3 功耗

输入电压和负载电流是计算负载开关功耗所必需的。使用公式3 来确定负载开关的功耗：

其中：
VIN = 输入电压
IQ = 负载开关的静态电流
ILOAD = 负载开关的负载电流
RON = 负载开关的导通电阻
对于大负载电流，可以忽略器件的IQ，因为相比RON 引起的损耗，VIN 和IQ 的乘积可以忽略不计。

4.4 散热注意事项

最大IC 结温应限制为绝对最大值表中指示的正常工作条件下的最大结温。要计算在给定的输出电流和环境温度下的最大允许功耗PD(max)，请使用公式：

其中：
PD(max) = 最大允许功耗
TJ(max) = 最大允许结温
TA = 器件的环境温度
θJA = 结点到空气热阻此参数很大程度上取决于电路板布局。

5 设计示例和应用示例

本部分将讨论几个利用前一部分所述公式的示例，并介绍一些如何在系统中使用负载开关的配置。

5.1 RON 和浪涌电流计算

下面列出了此示例的系统规范：

有了上述系统信息，可使用上面列出的公式制定负载开关的规范。

因此，可以选择RON 最大为600mΩ 的器件。
反过来，RON 限制可通过功耗预算来计算。例如，如果已确定负载开关的最大功耗为150mW，则最大 RON,max 可通过以下公式估算：

接下来，可确定给定的20μF 负载电容的最短上升时间。

由于CL 和IINRUSH 是系统级限制，因此很容易计算负载开关的上升时间。基于此，可计算负载开关的上升时间。

5.2 待机节能

对于一些电池供电系统，在不同模式下工作时必须满足一定的功耗预算。本部分将说明在电源路径中使用负载开关可实现的节能效果。
某些模块（如LCD 显示屏、功率放大器、GPS 模块和处理器）在待机模式下的泄漏电流可达几mA 或更高，但使用负载开关后可将此电流降至几μA。例如，对于漏电流为1mA 的下游模块，存在5V 电源轨，在禁用下游模块时该轨的功耗为：
5V × 1mA = 5 mW
在系统中使用负载开关时，漏电流通过负载开关分流到地并可降至1μA 以下。这样，此轨的功耗现在为：
5V × 1μA = 5 μW
因此，使用负载开关可使节能效果增大1000 倍。随着轨的数量不断增加，放置额外的负载开关可降低泄漏电流过大的待机轨的功耗，从而获得显著的节能效果。

5.3 无处理器干预的上电排序

在图11 所示的配置中，将负载开关排列成在没有任何处理器干预的情况下实现上电排序。在下图中，当 μC GPIO 接通负载开关时，将为负载1 供电。一旦负载1 的电压轨超过第二个负载开关的VIH 电平，第二个负载开关就将接通。尽管下图只显示启用了一个附加负载开关，但可进行扩展，让一条GPIO 线对多个负载开关排序。

图11. 无处理器干预的上电排序

5.4 双电源单负载电源多路复用器

在以下配置（图12）中，具有反向电流保护功能的两个低电平有效负载开关可配置为将双电源复用到单个负载。低电平有效负载开关是在ON 引脚拉低时接通的器件。如下图所示，电源1 在此配置下的优先级最高。只要电源1 施加电压，下面的负载开关便会因电阻分压器而被禁用。与电源1 相连的负载开关保持接通状态，但反向电流保护功能将阻止电流从VOUT 流向VIN。如果没有外部电阻，微控制器GPIO 可驱动各负载开关的ON 引脚。

图12. 双电源单负载电源多路复用器配置

6. 结论

集成负载开关是一个有效的解决方案，可实现上电排序、配电、上升时间控制、降低待机功耗、减少BOM 数量和缩小PCB 面积。如本应用手册所示，只需一些简单计算，便可将负载开关轻松集成到任何系统中，从而降低功耗和简化电源设计。

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