便携设备的高端负载开关及其关键应用参数

1、针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数2013-03-06关键字：便携设备高端负载应用参数对于各具特色的移动电话、移动gps设备和消费电子小玩意等电池供电的便携式设备 应用来说，高端负载开关一直受到众多工程师和设计人员的青睐。本文将以易于理解的非数 学方式全方位介绍基于mosfet的高端负载开关，并讨论在设计和选择过程中必须考虑的各 种参数。高端负载开关的定义是：它通过外部使能信号的控制来连接或断开至特定负载的电源 (电池或适配器)。相比低端负载开关，高端负载开关“流出”电流至负载，而低端负载开关 则将负载接地或者与地断开，因此它从负载“汲入”电流。高端负载开关不同于高端电源开关。高端电源

2、开关管理输出电源，因此通常会限制其输 出电流。相反地，高端负载开关将输入电压和电流传递给''负载”，并且它不具备电流限制 功能。高端负载开关包含三个部分：传输元件：本质上是一个晶体管，通常为一个增强型mosfeto传输元件在线性区工作, 将电流从电源传输至负载，就像一个“开关”(与放大器相对应)。栅极控制电路：向传输元件的栅极提供电压来控制导通或关断。它还被称为电平转换电 路，外部使能信号通过电平转换來产生足够高或者足够低的栅极电压(偏置电压)來全面控制 传输元件的导通和关断。输入逻辑电路：主要功能是解释使能信号，并触发栅极控制电路来控制传输元件的导通 和关断。传输元件传输元件

3、是高端廿关最基本的组成部分。最经常考虑的参数，特别是廿关导通时的阻抗 (rdson),与传输元件的结构和特性有直接关系。由于增强型mosfet 般在工作期间消耗的电流较少，在关断期间泄漏的电流也较少， 并且具有比双极晶体管更高的热稳定性，所以被广泛用作高端负载开关中的传输元件。本文 将专门介绍基于增强型mosfet的传输元件。增强型mosfet传输元件可以是n沟道fet, 也可以是p沟道feto当n沟道fet的栅极电压(vg)比其源极电压(vs)和漏极电压(vd)高出一个阈值(vt)时，n 沟道fet就会被完全转换至导通状态或者工作于其线性区。以下式子给出了导通条件的数学 表达式：vg-vs=

4、vgs>vtvgvt>vd或者是，vgs-vt>vds其中，vg为栅极电压、vs为源极电压、vd为漏极电压、vt为fet的阈值电压、vgs 为栅一源极压降、vds为漏一源极压降，所有参数均为正。图1：具有内置电荷泵的n沟道fet高端负载开关当n沟道fet导通时，漏极电流id为正，从漏极流向源极(如图1和图2所示)。当p 沟道fet的栅极电压(vg)比其源极电压(vs)和漏极电压(vd)低出一个阈值(vt)时，p沟道fet 就会被完全转换至导通状态或者工作于英线性区:图2：具有额外vbias输入的n沟道fet高端负载开关vsvg = vsg>vtvd-vt>vg或者

5、是，vsg-vt>vsd其中，vg为栅极电压、vs为源极电压、vd为漏极电压、vt为fet的阈值电压、vsg 为源栅极压降、vsd为源漏极压降，这里的所有参数也均为正的。当p沟道fet处于导通状态时，漏极电流id为负，从源极流向漏极（图3）。n沟道fet 将电子用作“多数载流子”，与p沟道fet的“多数载流子”空穴相比，电子具有更高的移 动率。这意味着，在相同的物理密度下，n沟道fet比p沟道fet具有更高的跨导，从而使 得在导通状态期间产生较低的漏一源极阻抗（即rdson）on沟道fet的rdson 一，般为相同尺 寸的p沟道fet的rdson的 血血,漏极电流id也会高出相应的倍数（

6、未考虑连接线厚度 和封装等其它限制参数）。这还表示，对于相同的rdson和id, n沟道fet 般需要较少的 硅片，因此它的栅极电容和阈值电压比p沟道fet要低。图3： p沟道fet高端负载开关此外，由于当开关导通时n沟道fet的vd比vg低vt,并且vd般与vin相连，因 此有可能传递给负载的vin非常低。理论上讲，n沟道fet开关的vin可以低至接近gnd, 并且不高于vg-vk另一方面,p沟道fet开关传递给负载的vin（与vs相连）总是高于vg+vt。 但这并不表示在任何情况下选择传输元件时n沟道fet都比p沟道fet好。如上所述，n沟道fet的一个基本属性是开关导通时工作在线性区，v

7、g要比vd高vt。 但是，由于vd几乎总是与vin（通常是开关的最高电压）相连，因此vg必须从现有电压（如外 部使能信号en）进行市低向高的电平转换，或者通过直流偏移进行从低向高的偏置，直流偏 移是单个新的高压轨，通常被称为“vbias”。如果栅极电压从使能信号进行从低向高的电平转换，通常需要一个电荷泵作为附加 的内部电路。电荷泵需要一个内置的振荡器，芯片上至少需要一个“快速” （flying）电容器， 从而产生栅极电压（通常是在导通过程中的多个使能信号）。这当然增加了设计复杂性和硅片 大小，从而抵消了 n沟道fet因rdson较低所带来的硅片缩小的优势。当负载电流相对较 低（儿安培）时，电荷

8、泵确实会增加硅片而积，并ii增加的而积比rdson所能缩小的面积要大, 这使得n沟道开关解决方案的成本和设计复杂性要高于p沟道开关方案。更多细节如图1 所示。如果栅极电压通过直流偏移vbias进行从低向高的偏置，就不再需要电荷泵，从而硅片 面枳的增加也不再是主要问题。但是由于可能不具备额外的高压轨（这是大多数电池供电的 设置和器件都需要的），因此这可能不是系统级的最佳解决方案（图2）。而在p沟道fet中，vg通常低于vs（与vin相连）。只要开关导通时vs保持在vg土 vt 的范围，那么它将始终工作在线性区，并且不需要特定的内部电路或外部电圧轨。这是通过 采用栅极控制电路将使能信号的电平从高向

9、低转换至适当的vg电平来实现的。此方案不需 要太多的电路或者额外的硅片面积（见图3）。n沟道高端负载开关通常是要求极低rdson的高功率系统或者要求将接近gnd的低vin传递给负载的低输入电压系统的理想选择。另一方面，p沟道高端负载开关在 要求设计复杂度不高的低功率系统或者要求将高vin传递给负载的高输入电压系统中具有 一定优势。栅极控制栅极控制电路或者电平转换电路通过控制mosfet的vg来实现其导通或关断。栅极控 制电路的输出由从输入逻辑电路收到的输入直接决定。在导通期间，栅极控制电路的主要任务是対使能信号进行电平转换，以产生高（n沟道） 或低（p沟道）vg来完全导通开关。同样，在关断期间

10、，栅极控制电路产生低（n沟道）或高（p 沟道）vg来完全关断开关。许多高端负载开关都在栅极控制电路中采用“斜率控制”或“软启动”功能。斜率控制 功能可以在开关导通时限制vg的上升速度，从而逐步产生id。其目的是为了保护负载不受 过多“电涌”的影响，电涌有可能导致栓锁等故障。负载有时不仅仅具有阻抗性，也会具有高容性。因此，当开关关断时，聚集在容性负载 上的电荷不会迅速放电，这会导致负载没有完全关断。为了避免这种情况，一些高端负载开 关加入了“活动负载放电”功能，英目的是提供一个电流通路，在开关关断时使容性负载迅 速放电。通常采用一个小型低端fet来实现该功能。图4是该方法的示意图，其中，底部n 沟道fet的栅极与栅极控制内核相连，漏极与负载相连，