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高侧负载开关保护便携式电子系统
接线图
2024年01月26日 10:52 187
admin
尽管我们尽最大努力通过使用保护壳或采用坚固的设计技术来保护我们的便携式设备免受物理伤害，但还可以应用另一层保护。在便携式电子设备本身中，负载开关可用于防止电涌、不正确的电池插入以及可能通过电源进入的其他损坏事件造成的损坏。许多系统（例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、数码相机、便携式医疗设备、工业设备和其他功率敏感产品）已经使用负载开关来提供针对电压和电流浪涌的强大保护。然而，设计人员可以使用多种变体和选项，为应用程序选择最佳匹配可能是一项挑战。
负载开关基础知识 在选择负载开关之前，我们先了解一下负载开关功能和性能的一些基础知识。基本上，高侧负载开关将电源与负载连接或断开，并且该开关由外部使能信号（模拟或数字）控制。高侧开关向负载提供电流，而低侧开关将负载与地连接或断开，从而从负载吸收电流。只要电源打开，负载开关电路就会处于活动状态，因此被设计为具有低泄漏电流。此外，它们还必须具有低导通电阻，以在监测系统电流或电压时最大限度地降低功耗。
因此，简单的负载开关通常由 MOSFET 传输晶体管和栅极驱动电路组成，其中栅极驱动电路包含栅极驱动晶体管和一些无源组件（图 1）。这样的电路可以使用分立元件构建或以IC形式集成。N沟道MOSFET具有比P沟道器件更低的导通电阻值，但是为了获得更低的电阻值，需要电荷泵电路来增加施加到MOSFET栅极的驱动电压。
大多数集成解决方案都包含更多功能，提供多种协同工作的功能来保护系统。典型的负载开关可能包含提供反向电压保护、反向电流保护、短路保护、输出负载放电、过压/过流保护、过温保护的电路块以及协调各个块的一些控制逻辑（图 2）。这些交换机不仅可以保护系统，还可以通过提供简单高效的配电来帮助降低功耗。
高侧负载开关保护便携式电子系统 简单的负载开关通常由 MOSFET 传输晶体管组成，该晶体管由栅极驱动器电路控制，该电路将输入控制信号电平转换为完全导通 MOSFET 的值，从而将器件的导通电阻降低到尽可能低的水平。（左侧为n沟道MOSFET电路，右侧为p沟道MOSFET电路）。
负载开关的几个关键参数是连接电压输入和电压输出引脚之间的 MOSFET 的导通电阻、晶体管可以处理的电流以及电路可以处理的电压。导通电阻越低，晶体管的功耗越低，输入到输出的压降也越低。当今的集成 MOSFET 通常具有数十毫欧的导通电阻值，因此，例如，如果负载开关的导通电阻为 50 毫欧并控制 200 mA 负载，则 MOSFET 在导通时仅耗散 2 mW，并且具有输入- 输出电压降为 10 mV。即使 1 A 的峰值电流也只会导致 50 mV 的压降和 50 mW 的峰值功耗。
负载开关选项
负载开关的许多可能的应用使负载开关制造商能够提供多种负载开关配置。基本负载开关（例如 NXP 的 NX3P190）（图 3）类似于图 1 右侧的电路 – 它具有由电平转换和转换速率控制电路控制的 P 沟道 MOSFET。
NXP 的另一款电路 NX3P1107 在功能上非常相似，但该公司将 MOSFET 的导通电阻降低了 2/3，仅为 34 毫欧，从而使该芯片能够处理高达 1.5 A 的连续电流。较高的额定电流使该芯片能够应对较重的负载应用，例如电池充电、数码相机、智能手机和许多其他应用。对于不需要大电流但需要输出放电能力的应用，该芯片的另一个版本 NX3P2902B 可以处理 500 mA 的连续电流，并且具有 95 毫欧的典型导通电阻。
针对更复杂的系统应用，例如 USB 移动 (OTG) 电源管理，NX5P1000（本例中为 N 通道器件）包括欠压保护、过压锁定、过流、过温、反向偏置和浪涌电流保护电路（图 4）。这些电路设计用于在发生故障时自动将 VBUS OTG 电压源与 VBUS 接口引脚隔离。
根据您的应用所需的负载电流以及所需的保护级别，您可以选择多种设计选项，以获得最适合您的应用的方案。本文讨论的设备代表了两个极端——最简单的集成选项和最复杂的集成解决方案之一。当然，恩智浦和其他供应商提供了许多介于两者之间的解决方案。
负载开关基础知识 在选择负载开关之前，我们先了解一下负载开关功能和性能的一些基础知识。基本上，高侧负载开关将电源与负载连接或断开，并且该开关由外部使能信号（模拟或数字）控制。高侧开关向负载提供电流，而低侧开关将负载与地连接或断开，从而从负载吸收电流。只要电源打开，负载开关电路就会处于活动状态，因此被设计为具有低泄漏电流。此外，它们还必须具有低导通电阻，以在监测系统电流或电压时最大限度地降低功耗。
因此，简单的负载开关通常由 MOSFET 传输晶体管和栅极驱动电路组成，其中栅极驱动电路包含栅极驱动晶体管和一些无源组件（图 1）。这样的电路可以使用分立元件构建或以IC形式集成。N沟道MOSFET具有比P沟道器件更低的导通电阻值，但是为了获得更低的电阻值，需要电荷泵电路来增加施加到MOSFET栅极的驱动电压。
大多数集成解决方案都包含更多功能，提供多种协同工作的功能来保护系统。典型的负载开关可能包含提供反向电压保护、反向电流保护、短路保护、输出负载放电、过压/过流保护、过温保护的电路块以及协调各个块的一些控制逻辑（图 2）。这些交换机不仅可以保护系统，还可以通过提供简单高效的配电来帮助降低功耗。
高侧负载开关保护便携式电子系统 简单的负载开关通常由 MOSFET 传输晶体管组成，该晶体管由栅极驱动器电路控制，该电路将输入控制信号电平转换为完全导通 MOSFET 的值，从而将器件的导通电阻降低到尽可能低的水平。（左侧为n沟道MOSFET电路，右侧为p沟道MOSFET电路）。
高侧负载开关保护便携式电子系统
高度集成版本的负载开关通常会提供多种保护功能——反向电压或反向电流保护、过压/过流保护、过温保护以及集成 MOSFET 和栅极驱动器电路。负载开关的几个关键参数是连接电压输入和电压输出引脚之间的 MOSFET 的导通电阻、晶体管可以处理的电流以及电路可以处理的电压。导通电阻越低，晶体管的功耗越低，输入到输出的压降也越低。当今的集成 MOSFET 通常具有数十毫欧的导通电阻值，因此，例如，如果负载开关的导通电阻为 50 毫欧并控制 200 mA 负载，则 MOSFET 在导通时仅耗散 2 mW，并且具有输入- 输出电压降为 10 mV。即使 1 A 的峰值电流也只会导致 50 mV 的压降和 50 mW 的峰值功耗。
负载开关选项
负载开关的许多可能的应用使负载开关制造商能够提供多种负载开关配置。基本负载开关（例如 NXP 的 NX3P190）（图 3）类似于图 1 右侧的电路 – 它具有由电平转换和转换速率控制电路控制的 P 沟道 MOSFET。
NXP 的简单高侧负载开关电路 NX3P190 集成了 P 沟道 MOSFET 以及电平转换和转换速率控制电路。
MOSFET 在 1.8V 电源电压下可支持超过 500mA 的连续电流，导通电阻为 95mΩ。不过，电压输入可处理 1.1 至 3.6V 的电压。启用输入上的逻辑包括逻辑电平转换，以便开关可以由低压微控制器和其他在降低电压下运行的电路控制。它针对电源域隔离应用，由于接地泄漏电流仅为 2 微安，因此有助于降低功耗并延长系统的电池寿命。该芯片的变体 NX3P191 集成了一个输出放电电阻，可以在开关关闭时对输出电容进行放电。这可以防止不需要的电压到达负载。NXP 的另一款电路 NX3P1107 在功能上非常相似，但该公司将 MOSFET 的导通电阻降低了 2/3，仅为 34 毫欧，从而使该芯片能够处理高达 1.5 A 的连续电流。较高的额定电流使该芯片能够应对较重的负载应用，例如电池充电、数码相机、智能手机和许多其他应用。对于不需要大电流但需要输出放电能力的应用，该芯片的另一个版本 NX3P2902B 可以处理 500 mA 的连续电流，并且具有 95 毫欧的典型导通电阻。
针对更复杂的系统应用，例如 USB 移动 (OTG) 电源管理，NX5P1000（本例中为 N 通道器件）包括欠压保护、过压锁定、过流、过温、反向偏置和浪涌电流保护电路（图 4）。这些电路设计用于在发生故障时自动将 VBUS OTG 电压源与 VBUS 接口引脚隔离。
NX5P1000 专为支持 USB on-the-go 接口而设计，集成了 N 沟道 MOSFET，并包括电压、电流和温度保护功能以及 USB 数据、ID 和 VBUS 线路上的静电保护。
该芯片可处理 1 A 的连续电流，在 4.0 V 电源电压下，导通电阻最大值为 100 毫欧。电源输入引脚可处理 3 至 5.5 V 的电平，但 VBUS 输入可耐受高达 30 V 的电压。在典型应用中，USB OTG 电压源和控制电路连接到芯片的电压和控制输入，芯片提供干净的 USB 电源和数据输出。NX5P2090 是该芯片功率稍高的版本，可以处理 2A 的连续电流。根据您的应用所需的负载电流以及所需的保护级别，您可以选择多种设计选项，以获得最适合您的应用的方案。本文讨论的设备代表了两个极端——最简单的集成选项和最复杂的集成解决方案之一。当然，恩智浦和其他供应商提供了许多介于两者之间的解决方案。
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