电源中的负载管理与负载开关设计与实现

电源中的负载管理与负载开关设计与实现

　前言

　　近年来，很多、纤巧型便携式电子产品被开发出来，如手机、数码相机、MP3、MP4、PDA、GPS及DVD等。它们不仅体积小、重量轻、功能多，并且充电的时间间隔较长，即产品省电，从而延长了电池的寿命。

　　为延长产品充电的时间间隔，设计者采用了很多办法：采用单位体积、单位重量的电池容量最大的锂离子电池或锂聚合物电池，并且增加了电池的容量；在电路设计上采用节省电能的电路；在元器件选择上采用高效率的低功耗或微功耗产品或用专用集成电路以减少功率损耗；而最重要的措施是产品在不同的工作状态时，为有用的电路供电，而将暂时不用的电路断电，这样可最大限度地省电，这就是采用负载管理。

　　电源给各个电路供电，各个电路就是电源的"负载"。例如发射电路及接收电路是电源的负载，功率放大电路也是电源的负载。另外，电源的负载还包括一些器件（如LED）或一些其他产品（如硬盘、直流电动机等）。多功能的便携式电子产品有很多功能电路组成，随着工作电压的不同，对电源的要求也不相同，因此有多个电源。要实现负载管理并不容易，现代的负载管理是由微处理器、电源管理IC及负载开关组成。

　　电源管理IC组成的负载管理

　　微处理器通过控制电源的工作来实现负载管理，如图1所示，图1中有N个电源，每个电源带一个负载（有N个负载）。每一个电源都有一个使能端（EN，高电平有效）或关闭电源控制端（SHDN，低电平有效），微处理器的I/O口与电源的EN端或SHDN端连接，输出逻辑电平来控制电源的开通或关断，这样就可以实现负载管理。例如，某产品有6个电源，在某种工作状态时，需要电源1~3开通，则负载1~3得电工作，电源4~6关断，负载4~6失电不工作，只要在电源1~3的EN端加逻辑高电平，在电源4~6的EN端加低电平即可。

　　图2是TI公司的一种电源管理IC（TPS65021）的功能结构示意图。它由1节锂离子电池供电，由微处理器通过I2C与器件接口。TPS65021内部有控制功能电路及6个电源（3个DC/DC转换器，3个线性稳压器LDO，输出V1-V6电压）。它可以给手机供电及实现负载管理。

　　数码相机中有三种电源：系统电源、LCD电源以及白光LED驱动电源（背光照明及闪光灯电源）。系统电源部分由4个DC/DC转换器组成，如图3所示。它分别给CCD摄像头、I/F接口电路、CPU的核及伸缩镜头的电动机供电，通过微处理器可做负载管理，微处理器也可以根据工作状态要求来控制LCD背光亮度及闪光灯驱动电路。

　　负载开关IC组成的负载管理

　　负载管理也可以由微处理器与多个负载开关组成。负载开关是一种功率电子开关，其基本工作原理如图4-a)所示，它由两个MOSFET（Q1：P-MOSFET及Q2：N-MOSFET）及一个电阻R组成。其工作原理是：在ON/OFF端加高电平时，Q2导通；Q2导通时将Q1的栅极拉到接近地电平，若其IN接电源电压VIN，则Q1的源极与栅极之间的-VGS≈VIN，则Q1相继导通，电源电压可经过负载开关给负载供电；若在ON/OFF端加低电平，则Q2截止；Q1的栅极及源极由电阻R连接，使栅极与源极同电位，即-VGS=0V，Q1截止，电源被切断，负载失电。负载开关的等效电路如4-b）所示。

　　由微处理器及N个负载开关及N个负载组成的负载管理结构框图如图5所示。各个负载开关接在电源与负载之间，其ON/OFF端与微处理器的I/O口连接。在不同的工作状态时，由微处理器给各个负载开关的ON/OFF端输出逻辑电平；输入高电平的负载得电，输入低电平的负载失电。采用这种方案也能实现负载管理，主要用于一个电源带多个负载的产品中。

　　电源管理IC及负载开关组成的结构

　　在实际应用中，往往由于电路复杂而采用电源管理IC及多个负载开关组成的负载管理系统，如图6所示。图6中有3个电源，输出不同的电压。电源1给负载1~3供电。为了控制负载1~3的通电或失电，在电源与负载之间设了3个负载开关。电源2、电源3则由电源管理IC来控制其负载的通电或失电。

　新型负载开关的特点

　　近年来，随着便携式电子产品的发展，各种先进的、多功能的（有的公司称它为"全能的"或"智能的"）负载开关出现了。归纳起来，这些用于负载管理的负载开关具有下述特点：

　　增加保护功能

　　负载开关是功率器件，大多数器件有过热关闭保护，有的负载开关内部设有输出电流限制电路（限制电流是固定的）或限制电流可设定的品种，可保证负载不过载受损，保证系统安全工作。另外，一般负载开关都设有输入电压过低时，输出锁存（UVLO）；有故障时给微处理器输出故障信号。

　　提高性能

　　提高性能包括：减小导通电阻RDS（on），以减少损耗，目前可做到RDS（on）=30MΩ左右；降低静态电流IQ，IQ最小的仅25nA；为防止开关导通瞬间有较大的冲击电流，设有软启动（有的负载开关有多种启动时间供用户选择或由用户根据负载情况自行设定）；负载开关关断时增加了放电电路，加速关断时间；有负载开关关断时防止产生反向电流（由OUT端流向IN端，可将开关管中的二极管去掉）；降低工作电压以满足供CPU核的需要，最低工作电压为0.8V，工作电范围宽，有的为1.2~5.5V，也有的为3~13.5V，以满足不同工作电压的需要；电流范围为1~6A，可满足各种便携式的需要。

　　封装尺寸小

　　为满足便携式体积小的要求，负载开关一般采用SOT-23封装、2mm×2mm MLP或MLF封装、SC-70封装，最小的采用6焊球BGA封装，其尺寸为1.5mm×1.0mm。

　　这里简单地介绍几种较典型的负载开关。

　　典型便携式负载开关

　　封装最小的负载开关FPF1003/4

　　FPF1003/4是飞兆公司于2007年4月推出的负载管理器件。其主要特点为：输入电压范围1.2～5.5V；导通电阻RDS（on），在VIN=5.5V时为30MΩ，静态电流IQ≤1μA；FPF1004内部关断时有放电电路，关断时间为10μs；最大连续开关电流为2A；工作温度范围为-40℃~+85℃，小尺寸6焊球BGA封装（1.5×1.0mm2）；开关导通时，有电压上升率控制。

　　该负载开关适用于现代超小型便携式电子产品，如PDA、手机、GPS、MP3播放器、数码相机等。

　　该器件典型应用电路如图7所示，输入电容一般为1μF，输出电容为0.1μF（都采用多层陶瓷电容器）。如在ON端加逻辑高电平时，开关导通（VIN=1.2V时，VIH≥0.8V；VIN=2.7~5.5V时，VIH≥2V）；ON端加逻辑低电平时，开关关断（VIN=1.2V时，VIL≤0.35V；VIN=2.7V~5.5V时，VIL≤0.8V）。RDS（on）与VIN有关：VIN=5.5V时，RDS（on）≤30MΩ；VIN=1.2V时，RDS（on）≤150MΩ。

　　该器件最大的亮点是在这样小的封装时可连续供电2A，并且可工作于1.2V低压，其不足之处是尺寸太小，无法再集成过热关闭等保护电路。

　　负载开关FPF2163/4/5系统

　　FPF2163/4/5系列是飞兆公司于2007年7月推出的输出电流可设定的多功能负载开关。该系列主要特点：输入电压范围为1.8~5.5V；可设定限制电流的范围为0.15~1.5A；输入电压低于阈值电压时，输出锁存（UVLO）；有过热关闭保护；开关关断时耗电小于2μA；静态电流小于7.7μA；过流后输出限制电流（恒流）的响应快：中等的过流时响时间为5μS；短路时为30nS；发生欠压锁存、过热及过流故障时，输出闭锁，并有故障信号输出；开关关断时无反向电流，2×2mm2微FET-6封装。

　　该系列FPF2163、FPF2164、FPF2165在功能上有一些差别，如表1所示。

　　该系列负载开关除了用于PDA、手机、GPS、MP3播放机、数码相机这类便携式电子产品外，由于有限流设定的功能（具有功率分配功能），也可用于外设端口及热插拔电源中。FPF2164还可以用作"电子保险丝"。

　　FPF2163/4/5的引脚排列如图8所示。

　　限制电流ILIM的设定与RSET有关，其关系式为：RSET=275.6/ILIM。式中RSET的单位为欧姆，ILIM的单位为安培。设定的限制电流有一定的允差，如表2所示。

　　FPF2163/4/5系列负载开关的封装尺寸小（2mm×2mm）、功能齐全，是一种较好的负载管理系统用的器件。