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[导读]高端负载开关及其操作仍然是许多工程师和设计师的热门选择,适用于电池供电的便携式设备,例如功能丰富的手机、移动GPS设备和消费娱乐小工具。本文采用一种易于理解且非数学的方法来解释基于 MOSFET 的高侧负载开关的各个方面,并讨论在整个设计和选择过程中必须考虑的各种参数。

高端负载开关及其操作仍然是许多工程师和设计师的热门选择,适用于电池供电的便携式设备,例如功能丰富的手机、移动GPS设备和消费娱乐小工具。本文采用一种易于理解且非数学的方法来解释基于 MOSFET 的高侧负载开关的各个方面,并讨论在整个设计和选择过程中必须考虑的各种参数。

什么是高端

负载开关 的定义 是它由外部使能信号控制,并将电源(电池或适配器)连接或断开到给定负载。与低侧 负载开关相比,高侧开关为负载提供电流,而低侧开关将负载连接或断开接地,因此从负载吸收 电流。

高端负载开关不同于高端电源 开关。高端电源开关管理输出功率 ,因此通常会限制其输出电流。相反,高侧负载开关将输入 电压和电流传递给负载,因此它不包含限流功能。

高边负载开关由以下三个元件组成:

1. 传输元件,本质上是一个晶体管,通常是增强型 MOSFET。传输元件在线性区域中工作,以将电流从电源传输到负载,就像开关一样(与放大器相反)。

2. 栅极控制块,它为传输元件的 栅极提供电压以将其打开或关闭。它也称为电平移位 模块,指的是外部使能信号经过电平移位以产生足够高或足够低的栅极电压(偏置)以完全打开和关闭传输元件。

3. 输入逻辑块,其主要功能是解释使能信号并触发门控块,以打开和关闭通路元件。

通路元件

通路元件是高边开关最基本的部分。最常查看的参数,尤其是开关导通时的电阻 (R DSON ),与通路元件的结构和特性直接相关。

由于增强型 MOSFET 通常在工作期间消耗更少的电流,在停机期间泄漏更少的电流,并且提供比双极晶体管更高的热稳定性,因此它更广泛地用作高侧负载开关中的传输元件。因此,本文将专门关注基于增强型 MOSFET 的传输元件。

增强型 MOSFET 传输元件可以是N 沟道或P 沟道 FET。

当 N 沟道 FET 的栅极电压 (V G )比 其源极电压 (V S ) 和漏极电压 (V D ) 高出阈值 (V T ) 时,N 沟道 FET 完全开启或处于其线性区域。以下公式给出了 ON 条件的数学表示:

V G – V S = V GS > V T

V G – V T > V D或 V GS – V T > V DS

其中 V G 是栅极电压;V S 为源极电压;V D 为漏极电压;V T 是 FET 的阈值电压;V GS 是从栅极到源极的电压降;V DS 是从漏极到源极的电压降。(所有符号代表正数。)

当 N 沟道 FET 导通时,漏极电流 I D为“正”并从漏极流向源极,见图 1 和图 2。


高端 FET 负载开关入门第 1 部分

图1:具有内部电荷泵的 N 沟道 FET 高侧负载开关。


高端 FET 负载开关入门第 1 部分

图 2:具有外部 V BIAS 输入的 N 沟道 FET 高侧负载开关。

当其栅极电压 (V G )低于 其源极电压 (V S ) 和漏极电压 (V D ) 阈值 (V T ) 时,P 沟道 FET 完全开启或处于其线性区域:

V S – V G = V SG > V T

V D – V T > V G或 V SG – V T > V SD

其中V G 是栅极电压;V S 为源极电压;V D 为漏极电压;V T 是 FET 的阈值电压;V SG 是从源极到栅极的电压降;V SD 是源极到漏极的电压降。(同样,所有符号都代表正数。)

当 P 沟道 FET 导通时,漏极电流 I D为“负”并从源极流向漏极,图 3。


高端 FET 负载开关入门第 1 部分

图 3:P 沟道 FET 高侧负载开关。

N 沟道 FET 使用电子作为多数载流子,其迁移率高 于 P 沟道 FET 中的多数载流子空穴。这意味着,在物理尺寸相同的情况下,N 沟道 FET 具有比 P 沟道 FET 更高的跨导,这意味着在导通状态或 R DSON期间漏源电阻更低。

通常,N 沟道 FET 的 R DSON 比类似尺寸的 P 沟道 FET 低 2 到 3 倍,因此 I D高出 相似的因子(不考虑其他约束,例如键合线厚度和包装)。这也意味着,对于相同的 R DSON 和 I D,N 沟道 FET 通常需要更少的硅,因此具有比 P 沟道 FET 更低的栅极电容和阈值电压。

此外,由于 N 沟道 FET的 V D 在开关导通时保持低于 V G 一个因数 V T ,并且 V D 通常与 V IN相连,因此非常低的 V IN 传递给负载。从理论上讲,N 沟道 FET 开关的 V IN 可以低至接近接地 (GND),最高可达 V G – V T。另一方面,P 沟道 FET 开关将始终高于 V G + V T的 V IN (与 V S相连)传递 给负载。

然而,这并不是说在任何情况下 N 沟道 FET 都比 P 沟道 FET 作为传输元件更好。

如前所述,N 沟道 FET 的一个基本特性是,要使开关在导通时工作在线性区域,V G 需要比 V D高 一个 V T值。然而,由于 V D 几乎总是连接到 V IN,这通常是开关看到的最高电压,因此 V G 必须从现有电压(例如外部使能信号(EN ),或被直流偏移“偏置”,这是一个单独的新高压轨,通常称为 V BIAS。

如果栅极电压从 EN 电平上移,则需要一个额外的内部电路,通常是一个电荷泵。电荷泵需要一个内部振荡器,以及芯片上至少一个“飞行”电容器来产生栅极电压,通常是导通期间 EN 值的倍数。当然,这增加了设计复杂性和硅,这抵消了 N 沟道 FET 较低 R DSON 特性所获得的硅减少。实际上,当负载电流相对较低(高达几安培)时,电荷泵增加的硅面积比 R DSON 因子减少的要多,这使得 N 沟道开关成为成本更高、设计复杂度更高的解决方案。 P 通道替代方案,请参见图 1 了解更多详细信息。

如果栅极电压被直流偏移 V BIAS 偏置,那么硅面积的增加并不大,因为不再需要电荷泵。但是,从系统角度来看,这可能不是最佳解决方案,因为它可能没有超高压轨,大多数电池供电的设备和设备都是这种情况,参见图 2。

然而,在 P 沟道 FET 的情况下,V G 始终低于 V S (与 V IN相关联)。只要 在开关导通时V S 保持 在 V G附近的 V T值,它就始终工作在线性区域,不需要特殊的内部电路或外部电压轨。这是通过使用门控制块将EN“电平转换”到正确的V G 电平来实现的。此选项不需要太多的电路实现或额外的硅面积,图 3。

通常,在需要极低 R DSON的大功率系统或 需要将接近 GND 的 V IN传递到负载的低输入电压系统中 ,N 沟道高侧负载开关是一个不错的选择。另一方面,P 沟道高侧负载开关在要求设计简单性的低功率系统或 需要将高 V IN传递到负载的高输入电压系统中具有优势。有关典型 N 沟道和 P 沟道基于 FET 的开关的关键参数的汇总,请参见表 1 。


高端 FET 负载开关入门第 1 部分

表 1:基于 N 沟道 FET 和 P 沟道 FET 的开关的比较。


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