Load Switch介紹與使用

Load Switch，即爲負載開關。基本原理是通過控制引腳實現對電源的打開和關斷。負載開關可用使用分離式器件搭建，也可以使用集成IC來實現。本篇文章將介紹下負載開關的基本原理參數以及分立式與集成式之間的對比。

原理

大部分負載開關包括4個引腳分爲是控制引腳，輸入電壓引腳，輸出電壓引腳，接地引腳。其內部核心器件就是開關管，現在一般是由MOSFET組成，可以是N-MOS也可以是P-MOS。

N-MOS/P-MOS架構負載開關對比

常見的N-MOS負載開關如下，相對於P-MOS，使用N-MOS負載開關的一些特點：

• 同等體積下N-MOS能夠承受更高的電流
• 同等體積下N-MOS有較低的導通電阻
• 由於N-MOS需要保證柵極電壓大於源極電壓，所以需要外加電荷泵進行升壓，元器件數量增加
• 靜態電流大

常見的P-MOS負載開關如下，目前絕大多數負載開關均使用P-MOS框架，其最大特點就是：控制簡單，不需要外置電荷泵升壓電路，靜態電流小。

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常見分立式負載開關電路

1. 單PMOS

電路如下所示，使用單個PMOS管，其中ON控制引腳通過拉低將P-MOS管導通。

該電路下打開瞬間對應的波形變化如下所示：

根據電路與波形圖該電路特點如下：

• 單個器件，電路簡單成本低
• 存在浪湧電流，導致輸入電壓瞬間拉低
• 對輸入電壓最大值一定限制

2. PMOS+NMOS/NPN

電路示意如下，使用NMOS/NPN控制引腳，當ON拉高時P-MOS導通。

該電路下打開瞬間對應的波形變化如下所示：

根據電路與波形圖該電路特點如下：

• 輸入電壓最大值沒有限制
• 存在浪湧電流，導致輸入電壓瞬間拉低
• 存在漏電流，漏電流路徑：VIN->電阻->MOS->GND

3. PMOS+NMOS/NPN+電容

電路示意如下，在方式2基礎上加一顆電容。可以增加啓動時間，減少浪湧電流。

該電路下打開瞬間對應的波形變化如下所示：

根據電路與波形圖該電路特點如下：

• 浪湧電流得以控制
• 輸出電壓存在負電壓
• 輸入電壓上電時會存在短暫導通，形成浪湧電流
• 存在漏電流，漏電流路徑：VIN->電阻->MOS->GND

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集成式負載開關電路

電路示意如下，內部集成電路。複雜度降低，浪湧電流得到控制。

該電路下打開瞬間對應的波形變化如下所示：

根據電路與波形圖該電路特點如下：

• 浪湧電流得到控制
• 外圍器件少，體積小
• 寬輸入電壓範圍
• 漏電流較小
• 快速放電控制（特定芯片）
• 價格較高

總結：通過以上對比分析，對分立式與集成式負載開關特點有了基本認識瞭解。在實際設計過程中，需要根據實際應用場景設計該部分電路。

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負載開關基本參數

• 導通電阻$R_{ON}$

該參數決定了負載開關的壓降和功耗，$R_{ON}$越大，負載開關壓降越大，功耗越高。

• $V_{IN}$和$I_{MAX}$

確定輸入電壓範圍，以及負載電流的大小。

• 關斷電流$I_D$和靜態電流$I_Q$

關斷電流是控制引腳ON被禁用時的電流，在一些電池供電場合，大部分場景負載開關是關斷狀態，這時候關斷電流指標就很重要。靜態電流是負載開關接通無負載時自身消耗電流。

• 上升時間

上升時間因器件而異，根據具體應用選擇。上升時間越短，浪湧電流較大。

• 快速輸出放電（QOD）

一些負載開關具有內部電阻，該電阻會在開關關斷時將輸出拉至地，以避免輸出浮空。

• 浪湧電流

根據Q=CU，浪湧電流計算公式如下：

$I_{INRUSH}=C_L * \frac{dV_{OUT}}{dt}$

$I_{INRUSH}$=$C_L$產生的浪湧電流的大小
$C_L$=VOUT上的總電容
$dV_{OUT}$=VOUT電壓變化
dt=VOUT電壓變化$dV_{OUT}$所需要的時間

浪湧電流是由VOUT上的總電容和VOUT電壓變化率決定。因此，需要控制負載開關的上升時間。

• 功耗

輸入電壓和負載電流是計算負載開關功耗所必需的,計算公式如下，當負載電流很大時，可以忽略$I_Q$。

$P_D=V_{IN}*I_Q+I^2_{LOAD}*R_{ON}$

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參考

1. Basics of Load Switches
2. Integrated Load Switches versus Discrete MOSFETs