Load Switch介绍与使用

Load Switch，即为负载开关。基本原理是通过控制引脚实现对电源的打开和关断。负载开关可用使用分离式器件搭建，也可以使用集成IC来实现。本篇文章将介绍下负载开关的基本原理参数以及分立式与集成式之间的对比。

原理

大部分负载开关包括4个引脚分为是控制引脚，输入电压引脚，输出电压引脚，接地引脚。其内部核心器件就是开关管，现在一般是由MOSFET组成，可以是N-MOS也可以是P-MOS。

N-MOS/P-MOS架构负载开关对比

常见的N-MOS负载开关如下，相对于P-MOS，使用N-MOS负载开关的一些特点：

• 同等体积下N-MOS能够承受更高的电流
• 同等体积下N-MOS有较低的导通电阻
• 由于N-MOS需要保证栅极电压大于源极电压，所以需要外加电荷泵进行升压，元器件数量增加
• 静态电流大

常见的P-MOS负载开关如下，目前绝大多数负载开关均使用P-MOS框架，其最大特点就是：控制简单，不需要外置电荷泵升压电路，静态电流小。

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常见分立式负载开关电路

1. 单PMOS

电路如下所示，使用单个PMOS管，其中ON控制引脚通过拉低将P-MOS管导通。

该电路下打开瞬间对应的波形变化如下所示：

根据电路与波形图该电路特点如下：

• 单个器件，电路简单成本低
• 存在浪涌电流，导致输入电压瞬间拉低
• 对输入电压最大值一定限制

2. PMOS+NMOS/NPN

电路示意如下，使用NMOS/NPN控制引脚，当ON拉高时P-MOS导通。

该电路下打开瞬间对应的波形变化如下所示：

根据电路与波形图该电路特点如下：

• 输入电压最大值没有限制
• 存在浪涌电流，导致输入电压瞬间拉低
• 存在漏电流，漏电流路径：VIN->电阻->MOS->GND

3. PMOS+NMOS/NPN+电容

电路示意如下，在方式2基础上加一颗电容。可以增加启动时间，减少浪涌电流。

该电路下打开瞬间对应的波形变化如下所示：

根据电路与波形图该电路特点如下：

• 浪涌电流得以控制
• 输出电压存在负电压
• 输入电压上电时会存在短暂导通，形成浪涌电流
• 存在漏电流，漏电流路径：VIN->电阻->MOS->GND

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集成式负载开关电路

电路示意如下，内部集成电路。复杂度降低，浪涌电流得到控制。

该电路下打开瞬间对应的波形变化如下所示：

根据电路与波形图该电路特点如下：

• 浪涌电流得到控制
• 外围器件少，体积小
• 宽输入电压范围
• 漏电流较小
• 快速放电控制（特定芯片）
• 价格较高

总结：通过以上对比分析，对分立式与集成式负载开关特点有了基本认识了解。在实际设计过程中，需要根据实际应用场景设计该部分电路。

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负载开关基本参数

• 导通电阻$R_{ON}$

该参数决定了负载开关的压降和功耗，$R_{ON}$越大，负载开关压降越大，功耗越高。

• $V_{IN}$和$I_{MAX}$

确定输入电压范围，以及负载电流的大小。

• 关断电流$I_D$和静态电流$I_Q$

关断电流是控制引脚ON被禁用时的电流，在一些电池供电场合，大部分场景负载开关是关断状态，这时候关断电流指标就很重要。静态电流是负载开关接通无负载时自身消耗电流。

• 上升时间

上升时间因器件而异，根据具体应用选择。上升时间越短，浪涌电流较大。

• 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。

• 浪涌电流

根据Q=CU，浪涌电流计算公式如下：

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

$I_{INRUSH}$=$C_L$产生的浪涌电流的大小
$C_L$=VOUT上的总电容
$dV_{OUT}$=VOUT电压变化
dt=VOUT电压变化$dV_{OUT}$所需要的时间

浪涌电流是由VOUT上的总电容和VOUT电压变化率决定。因此，需要控制负载开关的上升时间。

• 功耗

输入电压和负载电流是计算负载开关功耗所必需的,计算公式如下，当负载电流很大时，可以忽略$I_Q$。

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

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参考

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