1、負(fù)載開關(guān)的發(fā)展概況一、負(fù)載開關(guān)基本功率是一種具有良好開關(guān)特性的器件：導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通rds(on)很小；在關(guān)斷時(shí)其漏idss很小。另外，它的耐壓范圍很寬，從幾十v到幾百v，漏極電源范圍寬，從幾a到幾十a(chǎn)，所以十分適合作負(fù)載開關(guān)。n溝道m(xù)osfet可以組成最容易的負(fù)載開關(guān)，1所示。負(fù)載接在電源與漏極之間（負(fù)載可以是直流、散熱風(fēng)扇、大功率、白熾燈泡或螺管線圈等）。在其柵極上加一個(gè)規(guī)律高電平，則n-mosfet導(dǎo)通，負(fù)載得電；在其柵極加一個(gè)規(guī)律低電平，則n-mosfet關(guān)斷，負(fù)載失電。圖1 用mosfet組成的負(fù)載開關(guān)從圖1可以看出，負(fù)載開關(guān)接是在電源與負(fù)載之間，用規(guī)律電平來控制通、斷，使負(fù)載得電或失電

2、的功率器件。因?yàn)殚_關(guān)在負(fù)載的下邊，普通稱為低端負(fù)載開關(guān)。假如負(fù)載是一個(gè)要求接地的電路（如功率放大電路、放射電路或接收電路等），則低端負(fù)載開關(guān)不能用，要采納高端負(fù)載開關(guān)。高端負(fù)載開關(guān)主要由p溝道m(xù)osfet組成，2所示。圖2(a)是由一個(gè)p-mosfet與一個(gè)反相器組成的，圖2(b)是由一個(gè)p-mosfet與一個(gè)n-mosfet組成的。開關(guān)在負(fù)載的上面，稱高端負(fù)載開關(guān)。圖2 高端負(fù)載開關(guān)以圖2(a)來解釋其工作原理。在反相器輸入端輸入規(guī)律高電平常，其輸出端為低電平，反相器的輸出端與p-mosfet的柵極銜接，則使-vgsvin，p-mosfet導(dǎo)通，負(fù)載得電；若反相器輸入端輸入規(guī)律低電平，反相器

3、輸出高電平，則使其-vgs0v，p-mosfet關(guān)斷，負(fù)載失電。普通在輸入端往往接一下拉電阻，其目的是使負(fù)載開關(guān)在無控制信號(hào)輸入時(shí)處于牢靠的關(guān)斷狀態(tài)。圖2(b)的工作原理與圖2(a)相同，讀者可自行分析。假如在負(fù)載開關(guān)與負(fù)載之間接了一個(gè)大容量，3所示。當(dāng)這電容的等效串聯(lián)電阻十分小時(shí)，在負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通的眨眼，有較大的瞬態(tài)電流（沖擊電流，3右圖所示）流過開關(guān)管。為減小沖擊電流，在負(fù)載開關(guān)中增強(qiáng)了c1及r2，4所示。當(dāng)負(fù)載開關(guān)在導(dǎo)通后的眨眼，輸入經(jīng)p管后加在c1及r2上（q1的導(dǎo)通電阻略而不計(jì)），其電壓主要降在r2上，減小了-vgs，減小id電流，即減小沖擊電流。c11000pf，r1=1047k，r

4、2=14.7k。圖3 負(fù)載開關(guān)接負(fù)載電路圖4 負(fù)載開關(guān)基本電路圖2、圖4是負(fù)載開關(guān)的基本電路。因?yàn)殡娐贩浅Ｈ菀祝梢杂煞至⒃M成，但目前有現(xiàn)成的，使應(yīng)用更便利，占面積也更小。二、負(fù)載開關(guān)的進(jìn)展從負(fù)載開關(guān)基本電路來看，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)容易，缺點(diǎn)是缺少過熱庇護(hù)（負(fù)載有局部短路或輸出有短路）。在有短路時(shí)不僅負(fù)載、負(fù)載開關(guān)損壞，并且因?yàn)殡娫催^載關(guān)斷會(huì)使囫圇裝置、系統(tǒng)不能正常工作。因此近年來，人們按照負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用情況作了不少的改進(jìn)，充實(shí)了性能、提高了工作牢靠性、增強(qiáng)了功能。1 在平安庇護(hù)方面在負(fù)載開關(guān)中增強(qiáng)過熱關(guān)閉電路。假如有發(fā)生負(fù)載局部短路或短路狀況時(shí)，使負(fù)載開關(guān)的管芯溫度超過過熱閾值溫度（如125）

5、，則過熱關(guān)閉電路起作用將負(fù)載開關(guān)切斷。不僅阻擋了負(fù)載更大的損壞，也使電源不因負(fù)載短路而影響向其他電路供電。在過熱故障發(fā)生時(shí)，負(fù)載開關(guān)還輸出故障信號(hào)（給微處理器p）以告訴故障的存在。另外還有輸入欠壓鎖存庇護(hù)功能。在負(fù)載開關(guān)中增強(qiáng)限流電路。負(fù)載開關(guān)中沒電流檢測(cè)及限流輸出電路。它有兩種結(jié)構(gòu)：限制電流值是工廠設(shè)定的；限制電流可由用戶外設(shè)一個(gè)電阻設(shè)定。發(fā)生過流狀態(tài)時(shí)，負(fù)載開關(guān)輸出故障信號(hào)。具有限流輸出的負(fù)載開關(guān)，不僅提高了工作的牢靠性及平安性，并且這種負(fù)載開關(guān)還可以用作功率分配開關(guān)、熱插拔插座、端口。有的負(fù)載開關(guān)在過流時(shí)便輸出鎖存（無輸出），則這種負(fù)載開關(guān)可看作“保險(xiǎn)絲”在排解過流故障后，重新啟動(dòng)后可正

6、常工作。有的負(fù)載開關(guān)在過流時(shí)，以限制的電流（恒流）繼續(xù)給負(fù)載供電。2 在開關(guān)性能方面隨著工藝技術(shù)的長進(jìn)，單個(gè)分立器件mosfet的導(dǎo)通電阻逐年下降，導(dǎo)通電阻小的可做到幾m。集成負(fù)載開關(guān)中的mosfet導(dǎo)通電阻稍大，目前可做到幾十m左右。為了充實(shí)開關(guān)的性能，使開關(guān)慢啟動(dòng)（慢啟動(dòng)是指開關(guān)接通時(shí)，其電壓升高率是一個(gè)斜坡，防止有過大的沖擊電流）、快關(guān)斷。電壓升高的斜率有幾種：由工廠設(shè)定幾種斜率（啟動(dòng)時(shí)光不同），供用戶挑選；由用戶在器件外設(shè)一電容，設(shè)定其啟動(dòng)時(shí)光。為了迅速關(guān)斷開關(guān)，在負(fù)載開關(guān)中設(shè)有關(guān)斷時(shí)輸出有放電電路，5所示。在負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時(shí)，n-mosfet導(dǎo)通，電容往n管放電，加速關(guān)斷時(shí)光。圖5 負(fù)

7、載開關(guān)中的輸出有效放電電路3 其他方面為了適應(yīng)便攜式電子產(chǎn)品對(duì)負(fù)載開關(guān)的應(yīng)用需要，在以下幾方面作了改進(jìn)：工作電壓適合電池供電電壓，普通為 1.85.5v或1.25.5v；為滿足更低的電壓，最低輸入電壓為0.8v；削減靜態(tài)電流，普通為幾a（靜態(tài)電流大小與負(fù)載開關(guān)內(nèi)部的電路負(fù)載程度有關(guān)），典型值為1a。個(gè)別較容易的負(fù)載開關(guān)，其靜態(tài)電流iq=25a；輸出電流普通0.26a，可滿足各種便攜式的要求；為滿足便攜式體積小的要求，負(fù)載開關(guān)采納小尺寸封裝，普通采納sot-23封裝、2mm2mm的mlp或mlf封裝、sc-70封裝，最小的采納6焊球bga封裝，其封裝尺寸僅為1.5mm1.0mm；在電源關(guān)斷時(shí)，無

8、反向電流。三、應(yīng)用流域的擴(kuò)展負(fù)載開關(guān)是一種通用功率開關(guān)器件，過去主要應(yīng)用于工業(yè)控制及汽車工業(yè)等。近年來，隨著便攜式電子產(chǎn)品的進(jìn)展，如pda、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等纖巧產(chǎn)品大量上市，為了節(jié)約電能，除了應(yīng)用高效率的ic外，還需要多個(gè)負(fù)載開關(guān)，并由微處理器舉行控制組成負(fù)載管理（在不同的工作狀態(tài)時(shí)，給實(shí)用的負(fù)載供電，將不用的負(fù)載統(tǒng)統(tǒng)關(guān)斷）。圖6就是一種負(fù)載管理的結(jié)構(gòu)暗示圖。在圖中，電源管理ic有5路輸出（3路dc/dc轉(zhuǎn)換器、2路）。dc/dc1的輸出供3個(gè)并聯(lián)的負(fù)載1負(fù)載3。為了控制負(fù)載13的通電或斷電，在dc/dc1與3個(gè)負(fù)載之間加接了3個(gè)負(fù)載開關(guān)（負(fù)載開關(guān)13），其控制端接微處理器i/o口，由微處理器

9、控制其通、斷來實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。圖6 負(fù)載管理結(jié)構(gòu)拓?fù)湄?fù)載開關(guān)增強(qiáng)電流限制功能后，可用作計(jì)算機(jī)外設(shè)供電端口（usb），并且可做成熱插拔電源插座，也可做勝利率分配開關(guān)。圖7是一種輸出限制電流可調(diào)整的usb端口電路。該電路由mic2008作功率分配開關(guān)，由usb控制器對(duì)功率分配開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制。限定的電流由外設(shè)電阻r來設(shè)定（限制電流范圍為0.22.0a）。該功率分配開關(guān)的輸出電壓升高率（啟動(dòng)時(shí)光）可由外設(shè)電容c來設(shè)定，內(nèi)部有過熱庇護(hù)及輸入電壓過低時(shí)輸出鎖存庇護(hù)。圖7 輸出限制電流可調(diào)整的usb端口電路四、典型負(fù)載開關(guān)簡介近年來，fairchild公司、analogic tech公司、micrel公司等相繼

10、開發(fā)出多種新型負(fù)載開關(guān)。因?yàn)檫@些負(fù)載開關(guān)功能較全，所以被稱為“全接觸”或“智能開關(guān)”。這里容易地介紹fairchild公司的fpf2163/4/5及analogic tech公司的aat4297負(fù)載開關(guān)。1 fpf2163/4/5系列fpf2163/4/5系列負(fù)載開關(guān)是一種輸出電流可設(shè)定的多功能負(fù)載開關(guān)。該系列主要特點(diǎn)：輸入電壓1.85.5v；限定電流可設(shè)定范圍為0.151.5a；輸入電壓低于閾值電壓時(shí)，輸出鎖存（uvlo）；有過熱關(guān)閉；靜態(tài)電流最大值為77a（典型值），開關(guān)關(guān)斷時(shí)耗電小于2a；發(fā)生欠壓鎖存、過熱、過流故障時(shí)，有故障信號(hào)輸出；開關(guān)關(guān)斷時(shí)無反向電流；小尺寸fet-6封裝（2mm2

11、mm）；工作溫度范圍-40+85。fpf2163、fpf2164、fpf2165在功能上有一些差別，如表1所示。用戶可按照產(chǎn)品的要求挑選。該系列負(fù)載開關(guān)主要用于pda、手機(jī)、mp3播放器、數(shù)碼相機(jī)、外設(shè)端口及熱插拔電源等。fpf2164可用作“電子保險(xiǎn)絲”。該系列引腳羅列8所示，其典型應(yīng)用電路9所示。圖8 fpf2163/4/5引腳羅列圖9 fpf2163/4/5典型應(yīng)用電路在圖9中，輸入電容cin為1f，輸出電容cout為0.1f，10k為故障信號(hào)輸出的上拉電阻（內(nèi)部為開漏輸出結(jié)構(gòu)），rset為限流設(shè)定電阻，設(shè)定的限流電流ilim與rset的關(guān)系為：rset=275.6/ilim式中，rse

12、t的單位為，ilim的單位為a。設(shè)定的限制電流有一定的允差，允差范圍為25%。在on端加規(guī)律高電平（vin=1.8v時(shí)0.8v，vin=5.5v時(shí)1.4v）時(shí)開關(guān)導(dǎo)通；在on端加規(guī)律低電平（vin =1.8v時(shí)0.5v，vin=5.5v時(shí)1v）時(shí)，開關(guān)關(guān)斷。2 aat4297aat4297是一種用于手機(jī)控制led的負(fù)載開關(guān)。在手機(jī)中有不少led，它們用作單色或彩色顯示屏的背光照明、鍵盤的照明及相機(jī)的led閃光燈。有一些雙顯示屏的副屏及鍵盤的背光可以轉(zhuǎn)變其色彩以滿足客戶的不同愛慕。這一些led的不同工作狀態(tài)可采納一種新型控制led的負(fù)載開關(guān)舉行管理，這就是aat4297。它除用于手機(jī)外，還可以用

13、于多路小功率負(fù)載開關(guān)、個(gè)人通信裝置及其他便攜式電子產(chǎn)品的負(fù)載管理。該器件主要特點(diǎn)：輸入電壓范圍為1.85.5v；內(nèi)部有6個(gè)低端n交流mosfet開關(guān)，每個(gè)開關(guān)都是自立的；可采納單個(gè)串行控制線（s2c線）對(duì)各個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)通、斷控制；靜態(tài)電流少，典型值為3a；每個(gè)開關(guān)可驅(qū)動(dòng)208ma；無須其他外圍元件；12引腳tsop封裝；工作溫度范圍-40+85。該器件的結(jié)構(gòu)框圖10所示。en/set為使能/開關(guān)挑選端，與p的串行口銜接，輸入6位數(shù)字信號(hào)（000000111111）后置高電平，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)開關(guān)64種不同的通、斷狀態(tài)。vcc輸入 1.85.5v電壓，s1s6為各開關(guān)的漏極（開漏輸出結(jié)構(gòu)），外接led負(fù)

14、載。假如輸入6位數(shù)字信號(hào)都是1后置高，外接6個(gè)led（led1led6）都亮；若輸入的數(shù)字信號(hào)是010011，則led1、led3、led4滅，led5、led6亮，當(dāng)en/set端入信號(hào)由高電平變成低電平常，則全部亮的led都滅。圖10 aat4297的引腳框圖其典型應(yīng)用電路11所示。s1s3接三基色（rgb）led，rr、rg、rb、為各色led的限流電阻。利用紅、綠、藍(lán)三種不同發(fā)光色彩的組合，可以產(chǎn)生7種不同的色彩。例如，紅、綠、藍(lán)三種led以一定的發(fā)光強(qiáng)度亮?xí)r，可產(chǎn)生白光；紅、綠兩led亮?xí)r可產(chǎn)生橙色光。假如有需要也可并接多個(gè)rgb led。s4接d1d4白光led，它用作彩色主顯示屏背光照明，s6接閃光燈led，作相機(jī)閃光燈用。圖1