高端 FET 负载开关入门第 2 部分

栅极控制

栅极控制块或电平转换块控制 MOSFET 的 V G 以将其打开或关闭。门控的输出直接由它从输入逻辑块接收的输入 决定。

在导通期间，栅极控制的主要任务是对 EN 进行电平转换，以产生高(N 沟道)或低(P 沟道)V G 以使开关完全导通。类似地，在关断期间，栅极控制产生低(N 沟道)或高(P 沟道)V G 以将开关完全关断。

许多高侧负载开关在栅极控制模块中集成了“转换速率控制”或“软启动”功能。 当开关打开时，转换速率控制功能会限制 V G的斜升速度。结果，ID 逐渐增加。其目的是保护负载免受过大的“浪涌电流”的影响，这可能会导致闩锁等故障情况。

负载有时不仅是电阻性的，而且是高容性的。因此，当开关关断时，容性负载中积累的电荷并没有快速放电，可能导致负载关断不完全。为了克服这个问题，一些高边负载开关包含“主动负载放电”功能，其目的是在开关关闭时提供电流路径以快速对容性负载放电。这通常由小型低侧 FET 完成。图 4 说明了这种方法，其中一个底部 N 沟道 FET，其栅极连接到栅极控制核心，其漏极连接到负载，当主开关、顶部 P 沟道、关闭。

图 4：MIC94060/1/2/3 P 通道高侧负载开关的框图。

输入逻辑

输入逻辑模块的唯一功能是解释 EN 并将正确的逻辑电平传递给门控模块，以便门控可以相对于输入逻辑电平打开和关闭传递元件. 输入逻辑块的实现可以像下拉电阻一样简单。

在某些情况下，EN 和栅极控制块之间需要一个缓冲器。原因是 EN 可能无法为栅极控制提供足够的驱动电流来驱动 V G，在这种情况下，缓冲器充当了额外驱动电流的来源。

应用概要

对于在设计中使用高边负载开关的工程师来说，总有一些参数比其他参数更重要。

第一个关键参数是 I D。这是在设计周期开始时选择的系统级参数。高边负载开关的 I D 由 MOSFET(N 沟道或 P 沟道)的物理特性、MOSFET 的尺寸、键合线的物理特性(长度和厚度)等因素决定，和封装的热容量。通常，高 I D 开关为 N 通道并采用耐热增强型封装，而低 I D 开关为 P 通道类型并采用小尺寸封装。

下一个关键参数是 R DSON。 选择ID时，R DSON越低越好 。这是因为较低的 R DSON 将提高整体效率，减少V IN和负载之间的电压降 ，并减轻开关的热应力。

确定 I D 和 R DSON 后，设计人员通常会查看开关的四个关键参数：动态响应、关断电源电流、关断漏电流和封装尺寸。

对于高端负载开关，动态响应 是指负载电压从 GND 上升到满 V OUT (= V IN ” R DSON * I D ) 或从满 V OUT下降到 GND 所用的时间，相对于 EN 上的逻辑电平变化。

当 EN 被断言时，在门控制和输入逻辑模块引入的传播延迟或导通延迟时间 (t ON_DLY ) 之后，V G 然后转移到高电平(或低)足以打开开关。此时，负载上的输出电压( N沟道为V S ，P沟道为V D )开始上升，达到满V OUT 的时间称为导通上升时间(t ON_RISE )。根据系统要求，t ON_DLY 和 t ON_RISE 对于需要快速响应的应用，需要较短，对于需要软启动以限制浪涌电流的应用，需要相对较长。

类似地，当 EN 被取消断言时，在传播延迟或关断延迟时间 (t OFF_DLY ) 之后，V G 转移到足以关断开关的低(或高)电平。现在，负载上的输出电压从完整的 V OUT开始下降，它下降到 GND 所需的时间称为关断下降时间 (t OFF_FALL )。通常需要将 t OFF_DLY 和 t OFF_FALL 短，以便快速关闭负载。如果负载具有主要容性元件，则有源负载放电功能有助于降低 t OFF_FALL。

关断电源电流 和关断漏电流 也是需要考虑的重要因素，特别是在设计需要较长电池运行时间的电池供电设备时 。当开关关闭时，内部电路会消耗关断电源电流。关断漏电流是开关关断时 MOSFET 传递到输出端的电流。关断电源和漏电流越低，整体系统效率就越高。对于电池供电的应用，这会导致更长的电池运行时间。

至于封装尺寸 (占地面积和外形)，在大多数应用中都很清楚：封装越小越好。对于在空间非常宝贵的电池供电手持设备等低电流系统中使用的 P 沟道开关来说尤其如此。