作者：Philippe Pichot，德州儀器 (TI) 戰略市場營銷經理

電源開關的使用較為復雜，甚至讓大多數電子產品設計人員都感到困惑，特別是對那些非電源管理專家而言。在各種各樣的應用中，例如：便攜式電子產品、消費類電子產品、工業或電信系統等，廣大設計人員正越來越多地使用電源開關。這些電源開關的使用方式多種多樣，包括控制、排序、電路保護、配電甚至是系統電源開啟管理等。當然，每一種用法都需要有不同特性的電源開關解決方案。

本文對不同應用中，使用電源開關時設計人員需要考慮的一些重要規范和概念進行了總結，并介紹了一些可能的解決方案，旨在幫助設計人員選擇一種較佳的解決方案。

很明顯，在選擇電源開關以前您應該問您自己的第一個問題是：“我想要用這個開關來做什么？”這是一個簡單的問題，但其答案卻能幫助您定義完美的產品。使用電源開關的方式有數種。較為常見的是：

• 控制、配電和排序（即開啟/關閉電源軌來啟用某個子系統或者為多個負載配電）
• 短路或者過電流或過電壓保護（USB電流限制、傳感器保護、電源軌短路保護）
• 管理接通浪涌電流（即電容充電時）
• 選擇電源（即多路復用或ORing）或者負載分配。

表 1 概括了電源開關每種具體使用情況下需要考慮的重要特性。

  控制、配電和
排序 短路保護 浪涌電流管理 電流多路復用
（ORing） 通過 FET 導通電阻 ° ° ° ° 受控轉換速率 °   °   過電流保護 (OCP)   ° • • 過壓保護 (OVP)   •   • 反向電流保護   •   ° 功耗 ° ° ° ° 解決方案尺寸 ° • • • 輸入電壓范圍 ° ° ° ° 較大持續電流 ° ° ° ° 熱保護 • ° • • 控制邏輯，GPIO 兼容性 ° • •

° : 需要考慮的重要特點 / 特性。
• : 有更好，但非強制特性，也非重要特性。

表 1 具體的應用要求

導通電阻、較大電流和輸入電壓范圍

導通電阻 (rON)、較大持續電流和輸入電壓范圍始終都是需要考慮的關鍵特性。它們是您在考查任何器件以前需要研究的基本特性。根據應用，設計人員可以輕松地知道需要開關的電流，以及工作電壓的大小。根據這類信息，您便可以做出初步的選擇。實際上，如果您需要一個能夠通過 1.2V 或 36V 的開關，便可以確定兩種完全不同的產品范圍。

導通電阻會影響您在開關上看到的壓降。設計人員必須仔細了解其特定應用設置（電壓、電流）相關的較大允許壓降。利用公式1可以很容易地計算得到：

其中，壓降為 VDROP，直通 FET 導通電阻為 rON，而通過開關的電流為 I。

如果應用需要開關大量的電流，或者對低壓軌（如 1.0-V）進行開關，則需要較小化壓降。因此，導通電阻需要盡可能地低，例如：TPS2292x 系列特有 3.6-V 的14-m Ohm rON。但是，如果要開關的電流較少，則導通電阻便不是一個關鍵問題，您可以選擇一個約為 1 Ohm 的高導通電阻器件（如 TPS2294x 系列產品）。導通電阻是電源開關器件裸片尺寸的一個重要因素，從而也是器件成本的重要原因。您要對其仔細研究，以選擇較低成本的解決方案。

除設計人員關注的開關較大持續電流以外，另一個重要特性是開關允許的較大脈沖電流。在某些應用中，大多數時候要求的負載均包括中等的持續電流。但是，當某個子系統要求更多功率時峰值便顯而易見。GSM/GPRS 發射脈沖便是一個較好的例子，其在 12.5% 占空比下 576μS 期間要求高達 1.7A 的電流。請確定所選用的器件可以支持這種脈沖電流。

功耗和保護特性

功耗也是需要考慮的一個重要特性。在作為直通開關的正常運行期間，根據開關的導通電阻以及開關電流，可以計算得到功耗。利用公式 2，您可以很容易地計算得到器件的較大功耗。

如果該器件的導通電阻足夠低，則功耗較小，并且對器件工作溫度產生的影響也極小。但是，如果您計劃使用開關來保護電壓軌免受過電流或者短路損害（如USB端口或指紋傳感器保護電路一樣），則要小心。在這種情況下，您必須選擇一種電流限制開關，例如：TPS22944 等。如果您不使用電流限制開關，則功耗會成為系統可靠性的主要問題。例如，3.3-V 輸入電壓下，作用于一個非電流限制負載開關的 0.9-? 短路（如 TPS22902 的導通電阻為 ~100-m?），會轉換成如公式 3 所示的功耗。

一般來說，這種功耗對于市售的大多數封裝而言都太高，其可導致故障和可靠性問題。

同樣，使用電流限制開關的設計人員需要確定封裝能夠支持短路狀態。如果器件達到電流限制值，則輸出為短路接地時出現較大功耗。對于如 TPS22945 等具有自動重啟時間 tRESTART 和過電流斷路時間 tBLANK 的一些器件來說，較大平均功耗如公式 4 所示。

對于那些沒有自動重啟環路（如 TPS22944 等）的器件來說，輸出短路會使器件工作在恒流狀態下，從而保證在熱關斷啟用以前實現極端情況功耗。這樣，只要導通引腳有效且出現短路，它便在進出熱關斷之間不停地循環。

市場上有一些電流限制開關，需要考慮的兩個主要特性是電流限制較小值（固定電流限制或利用外部電阻編程），以及電流限制精度和響應時間。大多數應用中，電流限制精度并不是一個關鍵問題，因為器件用作一個斷路器（即出現短路時關閉開關）。但是，如 USB 電流限制等一些應用的精度就顯得很重要，因為開關是用作一個恒流源。

對于一些要開關大電流或承受過電流的一些應用來說，我們建議您選擇具有某種熱保護特性的器件。當發現器件溫度過高時，大多數器件都會啟用熱關斷，關閉 FET 來保護器件自身，以避免遭受任何潛在的熱損害。

除強制短路保護的電流限制（或者過電流保護—OCP）以外，還可以考慮如反向電流阻斷等其他一些保護特性。

設計人員嘗試設計一種電源選擇器 (ORing)，或者實現某種負載分配時，反向電流阻斷（也稱作反向電壓保護）則為必需的。

圖 1 顯示了一個通過兩個潛在電源（即 DC 輸入和電池）為負載供電的電源開關配置實例：

圖 1 雙源電源選擇器

對于沒有反向電壓保護的器件來說，直通 FET 的輸入電壓保持在其輸出電壓以上很重要。否則，輸入將會通過 FET 主體二極管被鉗位控制，從而使大電流從輸出流至輸入。

在圖 1 實例中，如果電池為一塊 4.2V（較大）的鋰離子 (Li-Ion) 電池，啟用 DC輸入，并且電壓為 5.0V，則潛在大電流將從負載流至電池——我們當然不希望看到這種結果！

一種有效的解決方案是使用一款具有反向電壓保護特性的器件。反向電流保護一般可以通過使用背靠背 FET，或者在探測到反向電壓狀態時開關 PMOS FET 的背柵來實現。您將會研究反向電壓比較器跳變點（VOUT – VIN值，即啟用反向電流特性的閾值），以及從反向電壓狀態到 MOSFET 關閉的時間。

可有效用于某些應用的另外一種保護是過電壓保護 (OVP)。該特性在開關出現過電壓時，保護開關和系統。例如，它可以有效地用于一些 USB 應用或者電池應用中。

浪涌電流管理

電源開關的另一種常見用法是對系統啟動時的浪涌電流進行管理。如果開關在不受控的情況下開啟，則會形成巨大的浪涌電流，可導致開關輸入電源軌壓降。其較終會影響系統的整體功能。

對大容量輸出電容充電時，浪涌電流會很大，需要對其進行控制和/或限制。這種浪涌電流可由公式 5 計算得到：

例如， 和 1μS 升壓時間的情況下，浪涌電流可以高達 3A。

避免出現這種浪涌電流的一種簡單方法是減慢開關的升壓時間。這樣便可緩慢地對輸出電容充電，并降低電流峰值。在公式 5 的實例中，200μS 的升壓時間會導致 15mA 的浪涌電流，這是可以接受的。

一些情況下，您可能想對一些超大容量電容（數百 μF）充電。通常建議選擇非常長的升壓時間，但是您也可以選擇一種具有高電流限制的開關。器件將會在加電時進行電流限制，同時電容將在電流限制值下獲得充電，其為電源開關的較大功耗能力。

系統互操作性

任何情況下，在選擇電源開關時，都需要認真地考慮系統互操作性問題。例如，便攜式應用中使用電源開關啟用和關閉負載來優化功耗時，開關的控制輸入必須與通用、低電壓（1.8-V）兼容，GPIO 至關重要。另外，當關閉開關時，請確保開關的浮動輸出不影響系統性能。因此，一些用戶可能會在關閉時利用一個額外晶體管將電源開關輸出緊密接地，或者使用一個集成這種下拉接地（如 TPS22902）的集成器件。

另一個重要的檢查點是設計穩定系統所使用的輸入和輸出電容。盡管通常不要求一個輸入電容來穩定一些市售的電源開關，但在輸入電源連接一個 0.1uF 到 1uF 的低等效串聯電阻 (ESR) 電容器時，卻被認為是一種較好的模擬設計方法。該電容可應對電抗性輸入源，并改善瞬態響應、噪聲及紋波抑制性能。根據開關的負載，您