盡管我們盡努力通過(guò)使用保護(hù)殼或采用堅(jiān)固的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)保護(hù)我們的便攜式設(shè)備免受物理傷害，但還可以應(yīng)用另一層保護(hù)。在便攜式電子設(shè)備本身中，負(fù)載開(kāi)關(guān)可用于防止電涌、不正確的電池插入以及可能通過(guò)電源進(jìn)入的其他損壞事件造成的損壞。許多系統(tǒng)（例如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、便攜式醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和其他功率敏感產(chǎn)品）已經(jīng)使用負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)提供針對(duì)電壓和電流浪涌的強(qiáng)大保護(hù)。然而，設(shè)計(jì)人員可以使用多種變體和選項(xiàng)，為應(yīng)用程序選擇匹配可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
    負(fù)載開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

    在選擇負(fù)載開(kāi)關(guān)之前，我們先了解一下負(fù)載開(kāi)關(guān)功能和性能的一些基礎(chǔ)知識(shí)?；旧?，高側(cè)負(fù)載開(kāi)關(guān)將電源與負(fù)載連接或斷開(kāi)，并且該開(kāi)關(guān)由外部使能信號(hào)（模擬或數(shù)字）控制。高側(cè)開(kāi)關(guān)向負(fù)載提供電流，而低側(cè)開(kāi)關(guān)將負(fù)載與地連接或斷開(kāi)，從而從負(fù)載吸收電流。只要電源打開(kāi)，負(fù)載開(kāi)關(guān)電路就會(huì)處于活動(dòng)狀態(tài)，因此被設(shè)計(jì)為具有低泄漏電流。此外，它們還必須具有低導(dǎo)通電阻，以在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電流或電壓時(shí)限度地降低功耗。

    任何負(fù)載開(kāi)關(guān)的都是 MOSFET（通常是增強(qiáng)型器件），它要么集成到負(fù)載開(kāi)關(guān)集成電路中，要么為了滿足更高的功率處理要求，可以是分立器件。MOSFET 將電流從電源傳遞到負(fù)載，并通過(guò)控制信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉。柵極驅(qū)動(dòng)電路向 MOSFET 提供控制信號(hào)，連接到 MOSFET 的柵極以打開(kāi)或關(guān)閉 MOSFET。根據(jù)應(yīng)用的不同，柵極驅(qū)動(dòng)電路可以由各種輸入電壓控制。它可以接收低壓或高壓數(shù)字信號(hào)，并將電壓更改為設(shè)備的固有電壓通信電平。該功能也稱為電平轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)樗仨毊a(chǎn)生足夠高的電壓以完全導(dǎo)通 MOSFET。
    因此，簡(jiǎn)單的負(fù)載開(kāi)關(guān)通常由 MOSFET 傳輸晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)電路組成，其中柵極驅(qū)動(dòng)電路包含柵極驅(qū)動(dòng)晶體管和一些無(wú)源組件（圖 1）。這樣的電路可以使用分立元件構(gòu)建或以IC形式集成。N溝道MOSFET具有比P溝道器件更低的導(dǎo)通電阻值，但是為了獲得更低的電阻值，需要電荷泵電路來(lái)增加施加到MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)電壓。

    大多數(shù)集成解決方案都包含更多功能，提供多種協(xié)同工作的功能來(lái)保護(hù)系統(tǒng)。典型的負(fù)載開(kāi)關(guān)可能包含提供反向電壓保護(hù)、反向電流保護(hù)、短路保護(hù)、輸出負(fù)載放電、過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)的電路塊以及協(xié)調(diào)各個(gè)塊的一些控制邏輯（圖 2）。這些交換機(jī)不僅可以保護(hù)系統(tǒng)，還可以通過(guò)提供簡(jiǎn)單高效的配電來(lái)幫助降低功耗。

    高側(cè)負(fù)載開(kāi)關(guān)保護(hù)便攜式電子系統(tǒng)
    簡(jiǎn)單的負(fù)載開(kāi)關(guān)通常由 MOSFET 傳輸晶體管組成，該晶體管由柵極驅(qū)動(dòng)器電路控制，該電路將輸入控制信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為完全導(dǎo)通 MOSFET 的值，從而將器件的導(dǎo)通電阻降低到盡可能低的水平。（左側(cè)為n溝道MOSFET電路，右側(cè)為p溝道MOSFET電路）。
    高側(cè)負(fù)載開(kāi)關(guān)保護(hù)便攜式電子系統(tǒng)
    高度集成版本的負(fù)載開(kāi)關(guān)通常會(huì)提供多種保護(hù)功能——反向電壓或反向電流保護(hù)、過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)以及集成 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器電路。
    負(fù)載開(kāi)關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是連接電壓輸入和電壓輸出引腳之間的 MOSFET 的導(dǎo)通電阻、晶體管可以處理的電流以及電路可以處理的電壓。導(dǎo)通電阻越低，晶體管的功耗越低，輸入到輸出的壓降也越低。當(dāng)今的集成 MOSFET 通常具有數(shù)十毫歐的導(dǎo)通電阻值，因此，例如，如果負(fù)載開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻為 50 毫歐并控制 200 mA 負(fù)載，則 MOSFET 在導(dǎo)通時(shí)僅耗散 2 mW，并且具有輸入- 輸出電壓降為 10 mV。即使 1 A 的峰值電流也只會(huì)導(dǎo)致 50 mV 的壓降和 50 mW 的峰值功耗。
    負(fù)載開(kāi)關(guān)選項(xiàng)
    負(fù)載開(kāi)關(guān)的許多可能的應(yīng)用使負(fù)載開(kāi)關(guān)制造商能夠提供多種負(fù)載開(kāi)關(guān)配置。基本負(fù)載開(kāi)關(guān)（例如 NXP 的 NX3P190）（圖 3）類似于圖 1 右側(cè)的電路 – 它具有由電平轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換速率控制電路控制的 P 溝道 MOSFET。

    NXP 的簡(jiǎn)單高側(cè)負(fù)載開(kāi)關(guān)電路 NX3P190 集成了 P 溝道 MOSFET 以及電平轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換速率控制電路。
    MOSFET 在 1.8V 電源電壓下可支持超過(guò) 500mA 的連續(xù)電流，導(dǎo)通電阻為 95mΩ。不過(guò)，電壓輸入可處理 1.1 至 3.6V 的電壓。啟用輸入上的邏輯包括邏輯電平轉(zhuǎn)換，以便開(kāi)關(guān)可以由低壓微控制器和其他在降低電壓下運(yùn)行的電路控制。它針對(duì)電源域隔離應(yīng)用，由于接地泄漏電流僅為 2 微安，因此有助于降低功耗并延長(zhǎng)系統(tǒng)的電池壽命。該芯片的變體 NX3P191 集成了一個(gè)輸出放電電阻，可以在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)對(duì)輸出電容進(jìn)行放電。這可以防止不需要的電壓到達(dá)負(fù)載。
    NXP 的另一款電路 NX3P1107 在功能上非常相似，但該公司將 MOSFET 的導(dǎo)通電阻降低了 2/3，僅為 34 毫歐，從而使該芯片能夠處理高達(dá) 1.5 A 的連續(xù)電流。較高的額定電流使該芯片能夠應(yīng)對(duì)較重的負(fù)載應(yīng)用，例如電池充電、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)和許多其他應(yīng)用。對(duì)于不需要大電流但需要輸出放電能力的應(yīng)用，該芯片的另一個(gè)版本 NX3P2902B 可以處理 500 mA 的連續(xù)電流，并且具有 95 毫歐的典型導(dǎo)通電阻。
    針對(duì)更復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用，例如 USB 移動(dòng) (OTG) 電源管理，NX5P1000（本例中為 N 通道器件）包括欠壓保護(hù)、過(guò)壓鎖定、過(guò)流、過(guò)溫、反向偏置和浪涌電流保護(hù)電路（圖 4）。這些電路設(shè)計(jì)用于在發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)將 VBUS OTG 電壓源與 VBUS 接口引腳隔離。

 

    NX5P1000 專為支持 USB on-the-go 接口而設(shè)計(jì)，集成了 N 溝道 MOSFET，并包括電壓、電流和溫度保護(hù)功能以及 USB 數(shù)據(jù)、ID 和 VBUS 線路上的靜電保護(hù)。
    該芯片可處理 1 A 的連續(xù)電流，在 4.0 V 電源電壓下，導(dǎo)通電阻值為 100 毫歐。電源輸入引腳可處理 3 至 5.5 V 的電平，但 VBUS 輸入可耐受高達(dá) 30 V 的電壓。在典型應(yīng)用中，USB OTG 電壓源和控制電路連接到芯片的電壓和控制輸入，芯片提供干凈的 USB 電源和數(shù)據(jù)輸出。NX5P2090 是該芯片功率稍高的版本，可以處理 2A 的連續(xù)電流。
    根據(jù)您的應(yīng)用所需的負(fù)載電流以及所需的保護(hù)級(jí)別，您可以選擇多種設(shè)計(jì)選項(xiàng)，以獲得適合您的應(yīng)用的方案。本文討論的設(shè)備代表了兩個(gè)極端——簡(jiǎn)單的集成選項(xiàng)和復(fù)雜的集成解決方案之一。當(dāng)然，恩智浦和其他供應(yīng)商提供了許多介于兩者之間的解決方案。