首页 | 登录 | 现在注册 2010年08月12日分类：分类： 6技术文章 关键字：关键字： 尝试E源搜索，享受专业体验 高级搜索 | 帮助 功率设计功率设计电子工程专辑首页 / 功率设功率设计计上网日期: 2007年06月05日 有 0 名读者发表评论 申请免费杂志 订阅 收藏 打印版关键字：关键字： 高端负载开关 传输元件 栅极控制电路 输入逻辑电路 MOSFET 对于各具特色的移动电话、移动GPS设备和消费电子小玩意等电池供电的便携式设备应用来说，高端负载开关一直受到众多工程师和设计人员的青睐。本文将以易于理解的非数学方式全方位介绍基于MOSFET的高端负载开关，并讨论在设计和选择过程中必须考虑的各种参数。高端负载开关的定义是：它通过外部使能信号的控制来连接或断开至特定负载的电源(电池或适配器)。相比低端负载开关，高端负载开关“流出”电流至负载，而低端负载开关则将负载接地或者与地断开，因此它从负载“汲入”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电源，因此通常会限制其输出电流。相反地，高端负载开关将输入电压和电流传递给“负载”，并且它不具备电流限制功能。新品新品 | 新闻新闻 | 技术文库技术文库 | 实例实例 | 辞典辞典 | 中国原创中国原创 | 专题讨论专题讨论 | 论坛论坛 | EE小组小组 | 博客博客 | 技术专刊技术专刊 | 论坛速递论坛速递 | 白皮书白皮书 | 在线研讨会在线研讨会 EDA/IC设计 | 工艺/制造 | 测试/封装 | 传感技术 | 放大/调整/转换 | RF/无线 | 数字信号处理 | 控制技术 | 网络/协议 接口/总线/驱动 | 缓冲/存储技术 | 功率设计 | EMI/EMC设计 | 光电及显示技术 | 嵌入式设计 | 可编程逻辑 | 安全设计 | 设计测试 MCU DSP 智能手机 工程师常用经典设计资料免费下载工程师常用经典设计资料免费下载 热门博文榜（月）热门博文榜（月） 电子技术基础知识大全电子技术基础知识大全(实时更新实时更新) 针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数分享 Page 1 of 13针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数-功率设计-电子工程专辑2010-8-12http:/www.eet-china.com/ART_8800466860_628868_TA_341fe03e.HTM?click_from=RSS关于网易邮箱无法正常收到论坛速递和信息速递关于网易邮箱无法正常收到论坛速递和信息速递最热文章排行榜最热文章排行榜工程师最喜欢的博客文章排行工程师最喜欢的博客文章排行最受欢迎的设计资料下载最受欢迎的设计资料下载最新热议行业新闻最新热议行业新闻看工程师们正热门讨论的话题看工程师们正热门讨论的话题精品文章精品文章IIC-China 2010秋季参展商展前专访：罗姆半导体光伏市场冰火两重天 企业生存须知凌力尔特具内部基准的16位4通道DAC LTC2655更多精品文章高端负载开关包含三个部分：1. 传输元件：本质上是一个晶体管，通常为一个增强型MOSFET。传输元件在线性区工作，将电流从电源传输至负载，就像一个“开关”(与放大器相对应)。2. 栅极控制电路：向传输元件的栅极提供电压来控制导通或关断。它还被称为电平转换电路，外部使能信号通过电平转换来产生足够高或者足够低的栅极电压(偏置电压)来全面控制传输元件的导通和关断。3. 输入逻辑电路：主要功能是解释使能信号，并触发栅极控制电路来控制传输元件的导通和关断。传输元件传输元件传输元件是高端开关最基本的组成部分。最经常考虑的参数，特别是开关导通时的阻抗(RDSON)，与传输元件的结构和特性有直接关系。由于增强型MOSFET一般在工作期间消耗的电流较少，在关断期间泄漏的电流也较少，并且具有比双极晶体管更高的热稳定性，所以被广泛用作高端负载开关中的传输元件。本文将专门介绍基于增强型MOSFET的传输元件。增强型MOSFET传输元件可以是N沟道FET，也可以是P沟道FET。当N沟道FET的栅极电压(VG)比其源极电压(VS)和漏极电压(VD)高出一个阈值(VT)时，N沟道FET就会被完全转换至导通状态或者工作于其线性区。以下式子给出了导通条件的数学表达式：VGVSVGSVTVGVTVD或者是，VGSVTVDS白皮书白皮书Page 2 of 13针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数-功率设计-电子工程专辑2010-8-12http:/www.eet-china.com/ART_8800466860_628868_TA_341fe03e.HTM?click_from=RSS其中，VG为栅极电压、VS为源极电压、VD为漏极电压、VT为FET的阈值电压、VGS为栅源极压降、VDS为漏源极压降，所有参数均为正。图1：具有内置电荷泵的N沟道FET高端负载开关。当N沟道FET导通时，漏极电流ID为正，从漏极流向源极(如图1和图2所示)。当P沟道FET的栅极电压(VG)比其源极电压(VS)和漏极电压(VD)低出一个阈值(VT)时，P沟道FET就会被完全转换至导通状态或者工作于其线性区：Seed - 基于TI DM6467T的8路D1实 时DVR/DVS解决方案NEW!Magma - Tekton：下一代时序分析平台NEW!数字万用表的理想选择：六位半的精 度、五位半的价格集成电路保护产品保护低功耗系统NEW!手持设备供源到测量负载电流完整解决 方案如何选择最佳仪器测量最微弱的电流信 号EE小组小组热门帖子 PCB技术五大发展 趋势 开关电源原理 PCB布线 几个实用的开关电 源设计资料 想在LED行业中创 业，寻大家参考意 见。 Page 3 of 13针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数-功率设计-电子工程专辑2010-8-12http:/www.eet-china.com/ART_8800466860_628868_TA_341fe03e.HTM?click_from=RSS图2：具有额外VBIAS输入的N沟道FET高端负载开关。VSVGVSGVTVDVTVG或者是，VSGVTVSD技术文章下载专区技术文章下载专区 RS-485工业接口的 设计应用指南 运算放大器输出驱 动能力的确定 揭去UHF Gen 2 RFID和HF RFID的神 秘面纱 运算放大器电路固 有噪声的分析与测量 第八部分：爆米花噪 声(二) 信号链基础(1)：运 算放大器 话题话题PK台台搜集工程师 们最关心的 话题，发表 您的真知灼 见。立体电视有没有可能 成为热点家庭娱乐应 用？ 热门关键词热门关键词 2010上海世博会 DSP ARM ZigBee 智能电网 IGBT 嵌入式系统 MCU EDA EMI RoHSPage 4 of 13针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数-功率设计-电子工程专辑2010-8-12http:/www.eet-china.com/ART_8800466860_628868_TA_341fe03e.HTM?click_from=RSS其中，VG为栅极电压、VS为源极电压、VD为漏极电压、VT为FET的阈值电压、VSG为源栅极压降、VSD为源漏极压降，这里的所有参数也均为正的。当P沟道FET处于导通状态时，漏极电流ID为负，从源极流向漏极(图3)。N沟道FET将电子用作“多数载流子”，与P沟道FET的“多数载流子”空穴相比，电子具有更高的移动率。这意味着，在相同的物理密度下，N沟道FET比P沟道FET具有更高的跨导，从而使得在导通状态期间产生较低的漏源极阻抗(即RDSON)。N沟道FET的RDSON一般为相同尺寸的P沟道FET的RDSON的1/31/2，漏极电流ID也会高出相应的倍数(未考虑连接线厚度和封装等其它限制参数)。这还表示，对于相同的RDSON和ID，N沟道FET一般需要较少的硅片，因此它的栅极电容和阈值电压比P沟道FET要低。图3：P沟道FET高端负载开关。此外，由于当开关导通时N沟道FET的VD比VG低VT，并且VD一般与VIN相连，因此有可能传递给负载的VIN非常低。理论上讲，N沟道FET开关的VIN可以低至接近GND，并且不高于VG-VT。另一方面，P沟道FET开关传递给负载的VIN(与VS相连)总是高于VG+VT。但这并不表示在任何情况下选择传输元件时N沟道FET都比P沟道FET好。如上所述，N沟道FET的一个基本属性是开关导通时工作在线性区，VG要比VD高VT。但是，由于VD几乎总是与VIN(通常是开关的最高电压)相连，因此VG必须从现有电压(如外部使能信号EN)进行由低向高的电平转换，或者通过直流偏移进行从低向高的偏置，直流偏移是单个新的高压轨，通常被称为“VBIAS”。 ESD RFID技术 机顶盒 HDMI MOSFET HDD 锁相环 iPad GPSPage 5 of 13针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数-功率设计-电子工程专辑2010-8-12http:/www.eet-china.com/ART_8800466860_628868_TA_341fe03e.HTM?click_from=RSS如果栅极电压从使能信号进行从低向高的电平转换，通常需要一个电荷泵作为附加的内部电路。电荷泵需要一个内置的振荡器，芯片上至少需要一个“快速”(flying)电容器，从而产生栅极电压(通常是在导通过程中的多个使能信号)。这当然增加了设计复杂性和硅片大小，从而抵消了N沟道FET因RDSON较低所带来的硅片缩小的优势。当负载电流相对较低(几安培)时，电荷泵确实会增加硅片面积，并且增加的面积比RDSON所能缩小的面积要大，这使得N沟道开关解决方案的成本和设计复杂性要高于P沟道开关方案。更多细节如图1所示。如果栅极电压通过直流偏移VBIAS进行从低向高的偏置，就不再需要电荷泵，从而硅片面积的增加也不再是主要问题。但是由于可能不具备额外的高压轨(这是大多数电池供电的设置和器件都需要的)，因此这可能不是系统级的最佳解决方案(图2)。而在P沟道FET中，VG通常低于VS(与VIN相连)。只要开关导通时VS保持在VGVT的范围，那么它将始终工作在线性区，并且不需要特定的内部电路或外部电压轨。这是通过采用栅极控制电路将使能信号的电平从高向低转换至适当的VG电平来实现的。此方案不需要太多的电路或者额外的硅片面积(见图3)。N沟道高端负载开关通常是要求极低RDSON的高功率系统或者要求将接近GND的低VIN传递给负载的低输入电压系统的理想选择。另一方面，P沟道高端负载开关在要求设计复杂度不高的低功率系统或者要求将高VIN传递给负载的高输入电压系统中具有一定优势。栅极控制栅极控制栅极控制电路或者电平转换电路通过控制MOSFET的VG来实现其导通或关断。栅极控制电路的输出由从输入逻辑电路收到的输入直接决定。在导通期间，栅极控制电路的主要任务是对使能信号进行电平转换，以产生高(N沟道)或低(P沟道)VG来完全导通开关。同样，在关断期间，栅极控制电路产生低(N沟道)或高(P沟道)VG来完全关断开关。许多高端负载开关都在栅极控制电路中采用“斜率控制”或“软启动”功能。斜率控制功能可以在开关导通时限制VG的上升速度，从而逐步产生ID。其目的是为了保护负载不受过多“电涌”的影响，电涌有可能导致栓锁等故障。负载有时不仅仅具有阻抗性，也会具有高容性。因此，当开关关断时，聚集在容性负载上的电荷不会迅速放电，这会导致负载没有完全关断。为了避免这种情况，一些高端负载开关加入了“活动负载放电”功能，其目的是提供一个电流通路，在开关关断时使容性负载迅速放电。通常采用一个小型低端FET来