电源开关设计基础

作者：Philippe Pichot，德州仪器 (TI) 战略市场营销经理

电源开关的使用较为复杂，甚至让大多数电子产品设计人员都感到困惑，特别是对那些非电源管理专家而言。在各种各样的应用中，例如：便携式电子产品、消费类电子产品、工业或电信系统等，广大设计人员正越来越多地使用电源开关。这些电源开关的使用方式多种多样，包括控制、排序、电路保护、配电甚至是系统电源开启管理等。当然，每一种用法都需要有不同特性的电源开关解决方案。

本文对不同应用中，使用电源开关时设计人员需要考虑的一些重要规范和概念进行了总结，并介绍了一些可能的解决方案，旨在帮助设计人员选择一种最佳的解决方案。

很明显，在选择电源开关以前您应该问您自己的第一个问题是：“我想要用这个开关来做什么？”这是一个简单的问题，但其答案却能帮助您定义完美的产品。使用电源开关的方式有数种。最为常见的是：

控制、配电和排序（即开启/关闭电源轨来启用某个子系统或者为多个负载配电）

短路或者过电流或过电压保护（USB电流限制、传感器保护、电源轨短路保护）

管理接通浪涌电流（即电容充电时）

选择电源（即多路复用或ORing）或者负载分配。

表 1 概括了电源开关每种具体使用情况下需要考虑的重要特性。

控制、配电和

排序 短路保护 浪涌电流管理 电流多路复用

（ORing）

通过 FET 导通电阻 ° ° ° °

受控转换速率 ° °

过电流保护 (OCP) ° ? ?

过压保护 (OVP) ? ?

反向电流保护 ? °

功耗 ° ° ° °

解决方案尺寸 ° ? ? ?

输入电压范围 ° ° ° °

最大持续电流 ° ° ° °

热保护 ? ° ? ?

控制逻辑，GPIO 兼容性 ° ? ?

° : 需要考虑的重要特点 / 特性。

? : 有更好，但非强制特性，也非重要特性。

表 1 具体的应用要求

导通电阻、最大电流和输入电压范围

导通电阻 (rON)、最大持续电流和输入电压范围始终都是需要考虑的关键特性。它们是您在考查任何器件以前需要研究的基本特性。根据应用，设计人员可以轻松地知道需要开关的电流，以及工作电压的大小。根据这类信息，您便可以做出初步的选择。实际上，如果您需要一个能够通过 1.2V 或 36V 的开关，便可以确定两种完全不同的产品范围。

导通电阻会影响您在开关上看到的压降。设计人员必须仔细了解其特定应用设置（电压、电流）相关的最大允许压降。利用公式1可以很容易地计算得到：

其中，压降为 VDROP，直通 FET 导通电阻为 rON，而通过开关的电流为 I。

如果应用需要开关大量的电流，或者对低压轨（如 1.0-V）进行开关，则需要最小化压降。因此，导通电阻需要尽可能地低，例如：TPS2292x 系列特有 3.6-V 的14-m Ohm rON。但是，如果要开关的电流较少，则导通电阻便不是一个关键问题，您可以选择一个约为 1 Ohm 的高导通电阻器件（如 TPS2294x 系列产品）。导通电阻是电源开关器件裸片尺寸的一个重要因素，从而也是器件成本的重要原因。您要对其仔细研究，以选择最低成本的解决方案。

除设计人员关注的开关最大持续电流以外，另一个重要特性是开关允许的最大脉冲电流。在某些应用中，大多数时候要求的负载均包括中等的持续电流。但是，当某个子系统要求更多功率时峰值便显而易见。GSM/GPRS 发射脉冲便是一个较好的例子，其在 12.5% 占空比下 576?S 期间要求高达 1.7A 的电流。请确定所选用的器件可以支持这种脉冲电流。

功耗和保护特性

功耗也是需要考虑的一个重要特性。在作为直通开关的正常运行期间，根据开关的导通电阻以及开关电流，可以计算得到功耗。利用公式 2，您可以很容易地计算得到器件的最大功耗。

如果该器件的导通电阻足够低，则功耗较小，并且对器件工作温度产生的影响也极小。但是，如果您计划使用开关来保护电压轨免受过电流或者短路损害（如USB端口或指纹传感器保护电路一样），则要小心。在这种情况下，您必须选择一种电流限制开关，例如：TPS22944 等。如果您不使用电流限制开关，则功耗会成为系统可靠性的主要问题。例如，3.3-V 输入电压下，作用于一个非电流限制负载开关的 0.9-W 短路（如 TPS22902 的导通电阻为 ~100-mW），会转换成如公式 3 所示的功耗。

一般来说，这种功耗对于市售的大多数封装而言都太高，其可导致故障和可靠性问题。

同样，使用电流限制开关的设计人员需要确定封装能够支持短路状态。如果器件达到电流限制值，则输出为短路接地时出现最大功耗。对于如 TPS22945 等具有自动重启时间 tRESTART 和过电流断路时间 tBL