電源中的負載管理與負載開關設計與實現(xiàn)
近年來，很多、纖巧型便攜式電子產(chǎn)品被開發(fā)出來，如手機、數(shù)碼相機、MP3、MP4、PDA、GPS及DVD等。它們不只體積小、重量輕、功用多，并且充電的時間距離較長，即產(chǎn)品省電，從而延長了電池的壽命。
為延長產(chǎn)品充電的時間距離，設計者采用了很多方法：采用單位體積、單位重量的電池容量最大的鋰離子電池或鋰聚合物電池，并且增加了電池的容量；在電路設計上采用儉省電能的電路；在元器件選擇上采用高效率的低功耗或微功耗產(chǎn)品或用專用集成電路以減少功率損耗；而最重要的措施是產(chǎn)品在不同的工作狀態(tài)時，為有用的電路供電，而將暫時不用的電路斷電，這樣可最大限度地省電，這就是采用負載管理。
電源給各個電路供電，各個電路就是電源的\"負載\"。例如發(fā)射電路及接納電路是電源的負載，功率放大電路也是電源的負載。另外，電源的負載還包括一些器件（如LED）或一些其他產(chǎn)品（如硬盤、直流電動機等）。多功用的便攜式電子產(chǎn)品有很多功用電路組成，隨著工作電壓的不同，對電源的請求也不相同，因而有多個電源。要完成負載管理并不容易，現(xiàn)代的負載管理是由微處置器、電源管理IC及負載開關組成。
電源管理IC組成的負載管理
微處置器經(jīng)過控制電源的工作來完成負載管理，如圖1所示，圖1中有N個電源，每個電源帶一個負載（有N個負載）。每一個電源都有一個使能端（EN，高電平有效）或關閉電源控制端（SHDN，低電平有效），微處置器的I/O口與電源的EN端或SHDN端銜接，輸出邏輯電平來控制電源的開通或關斷，這樣就能夠完成負載管理。例如，某產(chǎn)品有6個電源，在某種工作狀態(tài)時，需求電源1~3開通，則負載1~3得電工作，電源4~6關斷，負載4~6失電不工作，只需在電源1~3的EN端加邏輯高電平，在電源4~6的EN端加低電平即可。
圖2是TI公司的一種電源管理IC（TPS65021）的功用構造表示圖。它由1節(jié)鋰離子電池供電，由微處置器經(jīng)過I2C與器件接口。TPS65021內(nèi)部有控制功用電路及6個電源（3個DC/DC轉(zhuǎn)換器，3個線性穩(wěn)壓器LDO，輸出V1-V6電壓）。它能夠給手機供電及完成負載管理。
數(shù)碼相機中有三種電源：系統(tǒng)電源、LCD電源以及白光LED驅(qū)動電源（背光照明及閃光燈電源）。系統(tǒng)電源局部由4個DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，如圖3所示。它分別給CCD攝像頭、I/F接口電路、CPU的核及伸縮鏡頭的電動機供電，經(jīng)過微處置器可做負載管理，微處置器也能夠依據(jù)工作狀態(tài)請求來控制LCD背光亮度及閃光燈驅(qū)動電路。
負載開關IC組成的負載管理
負載管理也能夠由微處置器與多個負載開關組成。負載開關是一種功率電子開關，其根本工作原理如圖4-a)所示，它由兩個MOSFET（Q1：P-MOSFET及Q2：N-MOSFET）及一個電阻R組成。其工作原理是：在ON/OFF端加高電平常，Q2導通；Q2導通時將Q1的柵極拉到接近地電平，若其IN接電源電壓VIN，則Q1的源極與柵極之間的-VGS≈VIN，則Q1相繼導通，電源電壓可經(jīng)過負載開關給負載供電；若在ON/OFF端加低電平，則Q2截止；Q1的柵極及源極由電阻R銜接，使柵極與源極同電位，即-VGS=0V，Q1截止，電源被切斷，負載失電。負載開關的等效電路如4-b）所示。
由微處置器及N個負載開關及N個負載組成的負載管理構造框圖如圖5所示。各個負載開關接在電源與負載之間，其ON/OFF端與微處置器的I/O口銜接。在不同的工作狀態(tài)時，由微處置器給各個負載開關的ON/OFF端輸出邏輯電平；輸入高電平的負載得電，輸入低電平的負載失電。采用這種計劃也能完成負載管理，主要用于一個電源帶多個負載的產(chǎn)品中。
電源管理IC及負載開關組成的構造
在實踐應用中，常常由于電路復雜而采用電源管理IC及多個負載開關組成的負載管理系統(tǒng)，如圖6所示。圖6中有3個電源，輸出不同的電壓。電源1給負載1~3供電。為了控制負載1~3的通電或失電，在電源與負載之間設了3個負載開關。電源2、電源3則由電源管理IC來控制其負載的通電或失電。
新型負載開關的特性
近年來，隨著便攜式電子產(chǎn)品的開展，各種先進的、多功用的（有的公司稱它為\"全能的\"或\"智能的\"）負載開關呈現(xiàn)了。歸結起來，這些用于負載管理的負載開關具有下述特性：
增加維護功用
負載開關是功率器件，大多數(shù)器件有過熱關閉維護，有的負載開關內(nèi)部設有輸出電流限制電路（限制電流是固定的）或限制電流可設定的種類，可保證負載不過載受損，保證系統(tǒng)平安工作。另外，普通負載開關都設有輸入電壓過低時，輸出鎖存（UVLO）；有毛病時給微處置器輸出毛病信號。
進步性能
進步性能包括：減小導通電阻RDS（on），以減少損耗，目前可做到RDS（on）=30MΩ左右；降低靜態(tài)電流IQ，IQ最小的僅25nA；為避免開關導通霎時有較大的沖擊電流，設有軟啟動（有的負載開關有多種啟動時間供用戶選擇或由用戶依據(jù)負載狀況自行設定）；負載開關關斷時增加了放電電路，加速關斷時間；有負載開關關斷時避免產(chǎn)生反向電流（由OUT端流向IN端，可將開關管中的二極管去掉）；降低工作電壓以滿足供CPU核的需求，最低工作電壓為0.8V，工作電范圍寬，有的為1.2~5.5V，也有的為3~13.5V，以滿足不同工作電壓的需求；電流范圍為1~6A，可滿足各種便攜式的需求。
封裝尺寸小
為滿足便攜式體積小的請求，負載開關普通采用SOT-23封裝、2mm×2mm MLP或MLF封裝、SC-70封裝，最小的采用6焊球BGA封裝，其尺寸為1.5mm×1.0mm。
這里簡單地引見幾種較典型的負載開關。
典型便攜式負載開關
封裝最小的負載開關FPF1003/4
FPF1003/4是飛兆公司于2007年4月推出的負載管理器件。其主要特性為：輸入電壓范圍1.2～5.5V；導通電阻RDS（on），在VIN=5.5V時為30MΩ，靜態(tài)電流IQ≤1μA；FPF1004內(nèi)部關斷時有放電電路，關斷時間為10μs；最大連續(xù)開關電流為2A；工作溫度范圍為-40℃~+85℃，小尺寸6焊球BGA封裝（1.5×1.0mm2）；開關導通時，有電壓上升率控制。
該負載開關適用于現(xiàn)代超小型便攜式電子產(chǎn)品，如PDA、手機、GPS、MP3播放器、數(shù)碼相機等。
該器件典型應用電路如圖7所示，輸入電容普通為1μF，輸出電容為0.1μF（都采用多層陶瓷電容器）。如在ON端加邏輯高電平常，開關導通（VIN=1.2V時，VIH≥0.8V；VIN=2.7~5.5V時，VIH≥2V）；ON端加邏輯低電平常，開關關斷（VIN=1.2V時，VIL≤0.35V；VIN=2.7V~5.5V時，VIL≤0.8V）。RDS（on）與VIN有關：VIN=5.5V時，RDS（on）≤30MΩ；VIN=1.2V時，RDS（on）≤150MΩ。
該器件最大的亮點是在這樣小的封裝時可連續(xù)供電2A，并且可工作于1.2V低壓，其缺乏之處是尺寸太小，無法再集成過熱關閉等維護電路。
負載開關FPF2163/4/5系統(tǒng)
FPF2163/4/5系列是飛兆公司于2007年7月推出的輸出電流可設定的多功用負載開關。該系列主要特性：輸入電壓范圍為1.8~5.5V；可設定限制電流的范圍為0.15~1.5A；輸入電壓低于閾值電壓時，輸出鎖存（UVLO）；有過熱關閉維護；開關關斷時耗電小于2μA；靜態(tài)電流小于7.7μA；過流后輸出限制電流（恒流）的響應快：中等的過流時響時間為5μS；短路時為30nS；發(fā)作欠壓鎖存、過熱及過流毛病時，輸出閉鎖，并有毛病信號輸出；開關關斷時無反向電流，2×2mm2微FET-6封裝。
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