如何使用负载开关降低我们物联网设备的功耗

由于物联网革命，我们看到越来越多的设备通过 Wi-Fi® 和蓝牙® 连接到云。例如，当我们的智能手机处于待机模式时，负载开关通常用于通过禁用无线电（和其他耗电子系统）来节省电量。这降低了设备的整体功耗，使电池的使用寿命更长。
负载开关如何工作？
将负载开关视为电子灯开关，用于打开和关闭负载。基本负载开关只有四个引脚：V IN、V OUT、ON 和 GND。图 1 显示了在更复杂的负载开关中发现的特性。）打开负载开关（通过将 ON 置为高电平）让电流从 V IN流向 V OUT。当我们关闭开关时，没有电流从 V IN流向 V OUT，并且下游的所有东西也都被关闭。负载开关的待机功耗有效地替代了V OUT上负载的待机功耗。 

图 1：通用负载开关框图
我们真正节省了多少电量？
对于一个真实的例子，假设我们有一个 WiFi 或蓝牙无线电，在睡眠模式下消耗大约 5µA。我将使用TPS22915 负载开关进行比较带和不带负载开关的节电。
TPS22914/15 是一款小型、低 RON、具有受控压摆率的单通道负载开关。此器件包括一个 N 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，可在 1.05 V 至 5.5 V 的输入电压范围内运行并可支持 2A 的最大持续电流。此开关由一个开关输入控制，能够直接连接低电压控制信号。
小尺寸和低 RON 使得此器件非常适合于空间受限、电池供电类应用。此开关的宽输入电压范围使得它成为针对很多不同电压轨的多用途解决方案。器件的受控上升时间大大减少了由大容量负载电容导致的涌入电流，从而减少或消除了电源消耗。通过集成一个在开关关闭时实现快速输出放电 (QOD) 的 143Ω 下拉电阻器，TPS22915 进一步减少了总体解决方案尺寸。
集成单通道负载开关
输入电压范围：1.05 V 至 5.5 V
低导通电阻 (RON)
RON = 37mΩ（VIN = 5V 时的典型值）
RON = 38mΩ（VIN = 3.3V 时的典型值）
RON = 43mΩ（VIN = 1.8V 时的典型值）
2A 最大持续开关电流
低静态电流
7.7µA（VIN = 3.3 V 时的典型值）
低控制输入阈值允许使用 1 V 或更高电压的通用输入输出 (GPIO) 接口
受控转换率
VIN = 3.3V 时，tR(TPS22914B/15B) = 64µs
VIN = 3.3V 时，tR(TPS22914C/15C) = 913µs
快速输出放电（只适用于 TPS22915）
超小型晶圆级芯片尺寸封装
0.78mm × 0.78mm，0.4mm 间距， 0.5mm 高度 (YFP)
根据 JESD 22 测试得出的静电放电 (ESD) 性能
2kV 人体放电模式 (HBM) 和 1kV 器件充电模型 (CDM)

如前所述，如果没有负载开关，当无线电处于待机或睡眠模式时，我们的功耗将约为 5µA。在TPS22915 的数据表中，典型的 I SD（关断电流）为 0.5µA（不要与 I Q或 7.7µA 的静态电流额定值混淆，后者是负载开关的有功功耗）。添加TPS22915（图 2），功耗降低 10 倍！

图 2：使用和不使用负载开关的待机功耗比较
现在让我们假设我们的 Wi-Fi 芯片的性能稍低，在待机或睡眠模式下消耗接近 250µA。现在添加TPS22915功耗降低 500 倍！通过节省电力，我们可以通过使用更小的电池来缩小终端设备，或者让它们在两次充电之间持续更长时间。 
哪种负载开关适合我们？
选择负载开关时，确保它具有适合我们应用的正确额定值非常重要。密切关注最大电压、最大电流和导通电阻（R ON）。在确认负载开关的额定电压和电流正确后，决定多少功率损耗（V=IR 压降）是可以接受的。TI 提供多种负载开关可供选择；该系列中的最新产品是TPS22915。TPS22915的典型 R ON为 38mΩ。对于 1.5A 负载，负载开关两端的电压降为 57mV (V=1.5A * 38mΩ)。将 3.3V、1.5A 施加到 V IN，V OUT将为 ~3.24V。
随着负载电流的增加，负载开关的 R ON变得越来越重要，因为电压降与电流成比例。这就是为什么TPS22915在 3.3V 时的 R ON比类似负载开关低 31% 很重要的原因。如果没有TPS22915，V OUT将为 ~3.21V 而不是 3.24V。图 3 比较了 V IN上的R ON。

图 3：领先的 5.5V WCSP-4 负载开关在 V IN上的R ON比较