针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数

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对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，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，其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，当顶部的主开关P沟道FET关断时，底部的N沟道FET导通，以使容性负载放电。  

图4：MIC94060/1/2/3P沟道高端负载开关产品结构图。  

输入逻辑

输入逻辑电路的唯一功能是解释使能信号，并将正确的逻辑电平传递给栅极控制电路，以便栅极控制电路能够以输入逻辑电平控制传输元件的导通和关断。输入逻辑电路只采用下拉电阻就可以实现。

在某些情况下，使能信号和栅极控制电路之间需要缓冲器。这是因为使能信号无法为栅极控制电路提供足够的驱动电流来驱动VG，而缓冲器却可以充当额外驱动电流的来源。

关键应用参数

工程师在设计中采用高端负载开关时需要考虑一些关键应用参数。

第一个关键参数是ID。这是在设计周期早期选择的系统级参数。高端负载开关的ID由MOSFET物理特性(N沟道或P沟道)、MOSFET的尺寸、连接线的物理特性(长度和厚度)以及封装的热性能等参数决定。通常，高ID开关为N沟道，采用热增强型封装，而低ID开关为P沟道，采用小型封装。

第二个关键参数为RDSON。当选定ID时，RDSON越低就越好。这是因为较低的RDSON可以提高总效率、降低VIN和负载之间的压降并减轻开关的散热压力。  

表1：N沟道FET开关和P沟道FET开关的比较。



如果ID和RDSON都已确定，设计人员通常会考虑开关的以下四个关键参数：动态响应、关断电源电流、关断泄漏电流和封装尺寸。

对于高端负载开关，动态响应是指负载电压随着使能信号逻辑电平的变化从GND升至VOUT(=VIN-RDSON×ID)或者从VOUT降至GND所用的时间。

当使能信号在传播延迟或导通延迟时间(tON_DLY)之后使能时(由栅极控制电路和输入逻辑电路引起)，VG将转换至导通开关所需的足够高(或足够低)的电平。此时，负载上的输出电压(N沟道FET开关的输出电压为VS，P沟道FET开关的输出电压为VD)开始上升，电压达到满VOUT所用的时间称为导通上升时间(tON_RISE)。要求快速响应的应用需要tON_DLY和tON_RISE足够短，而需要软件启动来限制电涌的应用则要求tON_DLY和tON_RISE相对较长，这取决于系统要求。

同样，当使能信号在传播延迟或关断延迟时间(tON_DLY)之后使能无效时，VG将转换至关断开关所需的足够低(或足够高)的电平。此时，负载上的输出电压从满VOUT开始下降，电压下降到GND所用的时间称为关断下降时间(tOFF_FAIL)。通常要求tOFF_DLY和tOFF_FAIL足够短，以便负载能够迅速被关断。如果负载具有较大的容性元件，活动负载放电功能将有助于减小tOFF_FAIL。

关断电源电流和关断泄漏电流也是需要考虑的重要参数，特别是在设计需要较长的电池工作时间的电池供电设备时。

关断电源电流是内部电路在开关关断时消耗的电流。关断泄漏电流是开关关断时MOSFET传递给输出的电流。关断电源电流和关断泄漏电流越低，系统总效率就越高。对于电池供电的应用，这可以获得更长的电池工作时间。

对于封装尺寸(管脚面积和外形轮廓)而言，很明显是越小越好。特别是对于空间有限的低电流系统(电池供电的手持设备)中使用的P沟道开关，情况更是如此。

Micrel半导体公司提供一套完整的P沟道FET高端负载开关，目标市场为电池供电的便携式设备。最新成员MIC94060/1/2/3产品系列拥有业内领先的关键参数，而这些参数都是设计师们最关心的。  

表2：MIC94060/1/2/3与其它产品的比较。

从表2可看出，MIC94060/1/2/3可在2A电流等级提供75m?的最佳RDSON。此外，它还具有市场上最低的关断电源电流和关断泄漏电流，具有导通和关断状态下出色的动态响应以及1.2×1.6mm的最小MLF封装。因此，在文章开头提到的那些电池供电的便携式设备中，MIC94060/1/2/3已经确立了其性能领先的地位。