開關電源設計基礎研究

它總結了設計人員在使用電源開關時需要考慮的一些重要規格和概念，并介紹了一些可能的解決方案來援助設計人員選擇佳解決方案。

顯然，在選擇電源開關之前，您應該問自己的個問題是：“我要將此開關用于什么用途？“這是一個簡單的問題，但是答案可以援助您定義完美的產品。有幾種使用電源開關的方法。常見的是：

操縱，配電和排序（即，打開/關閉電源軌以啟用某個子系統或將電源分配給多個負載）
短路或過電流或過電壓愛護（USB電流限制，傳感器愛護，電源軌短路愛護）
治理接通浪涌電流（即，當電容器正在充電時）
選擇電源（即多路復用或“或”）或負載分配。

表1總結了在電源開關的每種特定使用情況下要考慮的重要特性。

操縱，配電和

分類
短路愛護
浪涌電流治理
電流多路復用

（要么）

表1具體應用要求

導通電阻，大電流和輸入電壓范圍

導通電阻（rON），大連續電流和輸入電壓范圍始終是要考慮的關鍵特性。它們是檢查任何設備之前需要學習的基本功能。根據應用，設計人員可以輕松了解要切換的電流和工作電壓。根據此信息，您可以進行初步選擇。實際上，如果您需要通過1。2V或36V開關可以確定兩個完全不同的產品范圍。

導通電阻會影響您在開關上看到的電壓降。設計人員必須認真了解和其特定應用設置（電壓，電流）相關的大同意壓降?？梢允褂霉?輕松計算得出：

其中，電壓降為VDROP，直通FET的導通電阻為rON，流過開關的電流為I。

如果應用需要切換大量電流，或用于低壓電源軌（例如G）。 1。0-V）要切換，您需要小化電壓降。因此，導通電阻必須完可能低，例如：TPS2292x系列3的獨特導通電阻。6V時14m歐姆rON但是，如果開關電流很小，則導通電阻不是關鍵問題。 您可以選擇大約1歐姆的高導通電阻設備（例如TPS2294x系列）。導通電阻是功率開關裝置的芯片尺寸的重要因素，因此是裝置成本的重要原因。您需要認真研究以選擇成本低的解決方案。

除了設計人員關懷的大開關連續電流外，另一個重要的特性是開關同意的大脈沖電流。在某些應用中，大部分時間所需的負載包含適度的連續電流。但是，當某個子系統需要更多功率時，峰值很明顯。GSM / GPRS發送脈沖就是一個很好的例子。576μS在5％的占空比下多需要1。7A電流。請確保所選設備可以支持脈沖電流。

功耗和愛護

功耗也是要考慮的重要功能。在正常操作中用作直通開關時，可以根據開關的導通電阻和開關電流來計算功耗。使用公式2，您可以輕松計算出器件的大功耗。

如果設備的導通電阻足夠低，則功耗特別小，并且對設備工作溫度的影響也將小。但是，如果要使用開關愛護電壓軌免受過電流或短路損壞（例如USB端口或指紋傳感器愛護電路），請當心。在這種情況下，您必須選擇一個限流開關，例如：TPS22944。如果不使用限流開關，功耗將成為系統可靠性的主要問題。例如3。在3V的輸入電壓下，它作用于非限制性負載開關。9-？ 短路（例如，TPS22902的導通電阻約為100 m？），將轉換為功耗，如公式3所示。

通常，對于大多數商業包裝，此功耗太高，這可能會導致故障和可靠性問題。

同樣，使用限流開關的設計人員需要確定封裝可以支持短路條件。如果器件達到電流限制，則輸出短路接地時將發生大功耗。對于某些具有自動重啟時間tRESTART和過流斷開時間tBLANK的設備（例如TPS22945），大平均功耗如公式4所示。

對于沒有自動重啟周期的設備（例如TPS22944等）。）。），輸出短路將導致器件在恒定電流狀態下工作，從而確保在啟用熱關斷之前實現了很大的功耗。這樣，只要導電引腳處于活動狀態并且發生短路，它將在進入和退出熱關斷之間循環。

市場上有一些限位開關。 要考慮的兩個主要特性是小電流限制（固定電流限制或使用外部電阻進行編程）以及電流限制精度和響應時間。在大多數應用中，限流精度不是關鍵問題，因為該設備充當斷路器（即，在發生短路時閉合開關）。但是，由于開關用作恒流源，因此某些應用的精度（例如USB電流限制）特別重要。

對于某些想要切換大電流或承受過電流的應用，我們建議您選擇具有某些熱愛護特性的設備。當發覺設備溫度過高時，大多數設備將啟用熱關斷功能并關閉FET，以愛護設備本身免受任何潛在的熱損害。

除了用于強制短路愛護（或過電流愛護-OCP）的電流限制外，還可以考慮其他愛護功能，例如反向電流阻斷。

設計人員嘗試設計電源選擇器（ORing）或實現肯定的負載分配，這需要反向電流阻斷（也稱為反向電壓愛護）。

圖1顯示了一個電源開關配置示例，該配置通過兩個潛在電源（即DC輸入和電池）為負載供電：

圖1雙源電源選擇器

對于沒有反向電壓愛護的設備，保持直通FET的輸入電壓高于其輸出電壓特別重要。否則，輸入將被FET的體二極管鉗位并操縱，從而導致大電流從輸出流向輸入。

在圖1的示例中，如果電池是一塊4塊。2V（大）鋰離子（Li-Ion）電池，啟用DC輸入，電壓為5。0V，可能有很大的電流從負載流向電池-當然，我們不期望看到此結果！

一個有效的解決方案是使用具有反向電壓愛護功能的設備。當檢測到反向電壓狀態時，通?？梢酝ㄟ^使用背對背FET或切換PMOS FET的背柵來實現反向電流愛護。您將研究反向電壓比較器的跳變點（VOUT – VIN值，這是啟用反向電流特性的閾值），以及從反向電壓狀態到MOSFET關斷的時間。

可以在某些應用中有效使用的另一種愛護類型是過壓愛護（OVP）。當開關中出現過電壓時，此功能可以愛護開關和系統。例如，它可以有效地用于某些USB應用或電池應用中。

浪涌電流治理

電源開關的另一個常見用途是治理系統啟動期間的浪涌電流。如果開關在不受操縱的條件下斷開，則會形成龐大的浪涌電流，這可能會導致開關的輸入電源軌電壓下降。它將終影響系統的整體功能。

當對大容量輸出電容器充電時，浪涌電流將很大，并且需要對其進行操縱和/或限制。浪涌電流可以通過公式5計算：

例如，在1μS的升壓時間下，浪涌電流可能高達3A。

幸免這種浪涌電流的一種簡單方法是減慢開關升壓時間。這將使輸出電容器緩慢充電并降低峰值電流。在公式5的示例中，200μS的升壓時間將導致15 mA的浪涌電流，這是可以接受的。

在某些情況下，您可能需要為一些特別大的電容器（數百μF）充電。通常建議選擇一個很長的升壓時間，但是您也可以選擇一個具有高電流限制的開關。上電后，設備將限制電流，電容器將在電流限制（即電源開關的大功耗能力）下充電。

系統互通性

無論如何，在選擇電源開關時，您需要認真考慮系統的互操作性。例如，在便攜式應用中使用電源開關啟用和禁用負載以優化功耗時，開關的操縱輸入必須和通用低壓（1。8-V）兼容性，GPIO是必不可少的。其它，在合上開關時，請確保開關的浮動輸出不會影響系統性能。因此，某些用戶可能會在關閉電源時使用額外的晶體管來關閉電源開關輸出到地，或者使用集成了下拉地的集成設備（例如TPS22902）。

另一個重要的檢查點是用于穩定系統的輸入和輸出電容器的設計。完管通常不需要輸入電容器來穩定一些商用電源開關，但它們仍舊為零。1uF至1uF的低等效串聯電阻（ESR）電容器被認為是一種更好的模擬設計方法。該電容器可以處理無功輸入源，并改善瞬態響應，噪聲和紋波抑制性能。根據開關的負載，您可以考慮在開關的輸出端添加一些額外的存儲電容器。如果開關沒有被反向電流堵塞，則強烈建議使用比輸出電容器大的輸入電容器，否則輸入將被FET的體二極管鉗位和操縱，以使大電流從輸出流過。

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