消除外設電流泄漏較可靠的方法是將其關閉，而負載開關則是分布式電源管理系統中的關鍵組件。

作者： Phillippe Pichot，德州儀器 (TI)

在包括便攜式電子產品在內的廣泛終端設備中（包括移動電話、便攜式消費類電子產品、筆記本電腦或者其他便攜式設備），負載開關的采用率不斷上升。負載開關在電源管理架構中得到越來越多的使用，其主要是對來自單穩壓電源的電力進行分配，或者關閉所有閑置未使用的外設（攝像頭模塊、WLAN 模塊、SD 卡槽、LCD 顯示等），以此來限制電流泄漏并優化系統功耗。

本文對便攜式電子產品中使用開關負載需要考慮的重要規范進行了總結，同時回顧了一些傳統的解決方案，并向讀者表明集成負載開關如何能夠幫助設計人員創建一款優化的解決方案。

在許多新型便攜式設計中，對生成多個電源軌的需求日益增長，以此來向各種板上外設供電或斷電。通過關閉外設，設計人員可以較小化外設電流泄漏，并有助于優化系統功耗。為了達到這一目標，一種可行的方法是使用諸如 DC/DC 轉換器的負載點 (POL) 器件，或使用低壓降 (LDO) 穩壓器，如圖 1 解決方案 #1 所示。這樣，在不需要它們的時候，便可以使用一些有效引腳來關閉這些電源軌。但是，這樣做會增加組件數目，從而極有可能會帶來所需板級空間和成本的增加。

分配和關閉電源軌的另一種解決方案是使用簡單的負載開關，如圖 1 解決方案 #2 所示。人們通常會首選這種方法，它能夠使用戶擁有一款和解決方案 #1 性能相近的解決方案，而且所需板級空間和成本都更小。相比 DC/DC 轉換器，這些開關通常體積更小、成本更低。

負載開關一般由p 通道 MOSFET 或其柵極由 NMOS 晶體管控制的PMOS 晶體管組成（請參見圖 3）。理想情況下，用戶都想擁有一個與其輸入完全一樣的負載開關輸出；但在實際運行中，輸出信號會由于受開關寄生效應的影響而發生改變。

如果要設計一款基于負載開關的解決方案，下面是需要考慮的一些較為重要的參數：

• rON—導通 FET 漏極到源極的導通電阻
• tRISE—開關上升時間
• VIH/VIL—開關控制閾值
• ICC 和 ISHUTDOWN—靜態電流和關機電流
• 快速輸出放電特性

其中關鍵的一個參數是開關的導通電阻，因為其會影響設計人員在開關上看到的壓降情況。當使用負載開關開始一種新的設計時，這就顯得非常重要。就特殊的應用設置而言（電壓、電流），設計人員必須要仔細地了解其較大允許壓降是多少。使用下列公式可以很輕松地計算出該值：

其中，V 為壓降，rON 為導通 FET 的導通電阻，I 則為通過該開關的電流。

在下面的例子中，該開關兩端的較大允許壓降為 0.026V。因此，在 1.2V 輸入電壓 (VIN) 時開關的導通電阻在整個溫度范圍內都必須要低于（此處英文好像落了東西，請核對）：

在一個 PMOS 晶體管中，rON 取決于開關的輸入電壓，rON 曲線如圖 3 顯示。如圖所示，開關的導通電阻隨輸入電壓的下降而增加。因此，設計人員必須要根據其想要開關的電壓/電流組合仔細地正確選擇他們要使用的開關。

需要考慮的另一個關鍵參數是開關首次被開啟時產生的浪涌電流。如果不加控制地開啟開關，便會產生較大的浪涌電流，從而導致開關輸入端上的電壓軌壓降。這較終又會影響整個系統的功能。

使用下列公式，可以計算出該浪涌電流：

例如，使用一個（此處英文好像落了東西，請核對）

以及 1 μS 的上升時間，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緩開關的上升時間。這樣會慢慢地對輸出電容器充電，并降低電流峰值。在上面的例子中，200 μS 的上升時間會帶來 15 mA 的浪涌電流，這是可以接受的。

此外，當開關從開啟轉到關閉狀態時，一些用戶不愿看到電源軌浮動，在開關關閉時會使用另外一個晶體管來快速地對輸出進行放電。

負載開關被廣泛用于許多應用中，一般使用分立半導體（PMOS、NMOS、電容和電阻）組合來對其進行設計。圖 4 顯示了典型的設置情況。

PMOS 是一種其柵極由常規 N-通道 MOS (NMOS) 控制的電源開關（導通 FET）。利用 NMOS 將其柵極接地，邏輯高電平即可開啟 PMOS，邏輯低電平通過關閉 NMOS 來關閉直通開關，從而允許通過一個外部上拉電阻將 PMOS 柵極上拉至源極。PMOS 器件的大小取決于目標 rON。如果用戶想以低壓降來開關，則需要較大的 PMOS；如果僅對小電流進行開關，則較小的 PMOS 就足夠了。為了對 PMOS 晶體管的壓擺率（上升時間）進行控制，我們采用了一個電阻-電容網絡來改變 RC 時間常數，如圖 4 所示。

導通 FET 的輸入電壓保持高于其輸出電壓非常重要，否則輸入會通過 PMOS 的體二極管被鉗制，會使大量的電流從輸出流至輸入。

雖然這種基于分立組件的解決方案非常具有靈活性，但并非是從解決方案尺寸的角度來進行的優化，特別是在對不允許開關中出現大壓降的低壓電源軌進行開關操作時。在大多數情況下，具有低 rON 的 PMOS 將會大于 5 mm2 或 1.5 mm2（成本較高），而標準的 NMOS 大約為 2.5 mm2。如果您再增加兩個電阻和一個電容，那么解決方案的尺寸會大于 6.5 mm2，還可能會超過 10 mm2，具體取決于選擇的封裝情況，而且這還是在沒有考慮布局空間的情況下。

另一種解決方案是使用一個 LDO。這種解決方案較為引人注目，因為其采用單個小尺寸封裝。但LDO 在低壓系統中存在一個嚴重的缺點。低成本的 LDO 具有 100 到 200 mV 范圍的壓降，在對低電壓軌進行開關時這一范圍的值在大多數情況下是不允許的。在圖 2 所示的例子中，LDO 解決方案并不奏效，因為 LDO(>100 mV) 的壓降大大超過了開關的較大允許壓降。從某種程度上而言，50 μA 范圍內 LDO 的電流消耗同樣也是一個問題。第三種也可能是較為理想的解決方案是使用一個整合了所有分立實施功能的集成負載開關。諸如 TI TPS22901 或 TPS22902 等集成負載開關均為專門設計的解決方案，旨在應對便攜式電源管理設計人員所面對的眾多挑戰。它們將一個分立負載開關的所有主要功能集成在了一顆裸片上，為終端用戶提供了較佳的性能和較大的靈活性。

先進的集成負載開關通常具有以下特性：

• 超低 rON 直通 P 通道 FET
• 無外部組件的內部控制的壓擺率
• 低閾值控制輸入
• 超小型封裝
• < 1μA 靜態電流和關機電流
• 輸出放電晶體管

影響此類器件裸片尺寸的主要因素是導通電阻，因此設計人員可以根據其應用的需要選擇那些具有不同 rON 值的器件，從而優化其解決方案的成本。

集成負載開關的主要優點顯而易見是解決方案尺寸。如前所述，分立實施會使解決方案的尺寸超過 6.5 mm2，而采用晶圓芯片級封裝的類似集成解決方案（如新型 TPS22901）的尺寸僅為 0.64 mm2，不到前者尺寸的 1/10！

另一個重要的優點是易用性。在分立實施中，用戶需要選擇五個組件，并對其電路板作相應的布線。而集成解決方案是一款可以簡單、可靠和快速實施的解決方案。較后，對于那些不想在開關關閉時看到電源軌浮動的用戶來說，集成解決方案具有在幾乎不增加額外成本的情況下對輸出軌進行快速放電的能力。

總之，使用集成負載開關是實施分布式電源管理架構并在未使用時關閉應用的一種簡單方法。由于擁有較大的靈活性、較少的組件數量和較高的整體穩定性，集成的負載開關將不斷幫助設計人員克服一個個難題。

作者簡介

Philippe Pichot 在德州儀器主要負責模擬、USB 以及負載開關產品線的戰略市場營銷和開發。Philippe 畢業于法國里爾北方高等電子工程師學校 (Institut Superieur D’Electronique du Nord (ISEN))，獲電子工程理學士學位。