电源保护

www. EET-china.com 使用电源开关必须掌握的几个概念 作者：Philippe Pichot TI战略营销经理 电源开关的使用较为复杂，甚至让大多数电子产品设计人员都感到困惑，特别是对 那些非电源管理专家而言。在各种各样的应用中，例如：便携式电子产品、消费类 电子产品、工业或电信系统等，广大设计人员正越来越多地使用电源开关。这些电 源开关的使用方式多种多样，包括控制、排序、电路保护、配电甚至是系统电源开 启管理等。当然，每一种用法都需要有不同特性的电源开关解决。 本文针对在不同应用中设计人员使用电源开关时需要考虑的重要和概念进行了 总结，并介绍了一些可能的解决方案，旨在帮助设计人员选择一种最佳方案。 很明显，在选择电源开关前我们应该问自己的第一个问题就是：我们想要用这个开 关来做什么？虽然这是一个简单的问题，但答案却能帮助我们定义完美的产品。使 用电源开关的方式有数种，最为常见的是： • 控制、配电和排序(即开启/关闭电源轨来启用某个子系统或者为多个负载配 电) • 短路保护或者过电流/过电压保护(USB 电流限制、传感器保护、电源轨短路 保护) • 管理接通浪涌电流(即电容充电时) • 选择电源(即多路复用或 ORing)或者负载分配。 表 1概括了电源开关针对不同使用情况时需要考虑的重要特性。 导通电阻、最大电流和输入电压范围 导通电阻(rON)、最大持续电流和输入电压范围，始终都是需要考虑的关键特性，也 是在考查任何器件以前需要研究的基本特性。根据应用，设计人员可以轻松算出需 要开关的电流，以及工作电压的大小。根据这些信息，可以做出初步的选择。实际 上，如果需要一个能够通过 1.2V或 36V的开关，便可以确定两种完全不同的产品 范围。 导通电阻会影响开关上的压降。设计人员必须仔细了解其特定应用设置(电压、电 流)相关的最大允许压降。利用 1可以很容易地计算得到： IrON ∗=DROPV (公式 1) www. EET-china.com 其中，压降为VDROP，直通FET导通电阻为rON，而通过开关的电流为 I。 如果应用需要开关大量的电流，或者对低压轨(如 1.0V)进行开关，则需要最小化压 降。因此，导通电阻需要尽可能地低，例如TPS2292x系列特有 3.6V的 14m Ohm rON。但是，如果要开关的电流较少，则导通电阻便不是一个关键问题，可以选择 一个约为 1 Ohm的高导通电阻器件(如TPS2294x系列产品)。导通电阻是电源开关 器件裸片尺寸的一个重要因素，从而也是器件成本的主要部分。需要对其进行仔细 研究，以选择最低成本的解决方案。 除设计人员关注的开关最大持续电流以外，另一个重要特性是开关允许的最大脉冲 电流。在某些应用中，大多数时候要求的负载均包括中等的持续电流。但是，当某 个子系统要求更多功率时峰值便显而易见。GSM/GPRS 发射脉冲便是一个较好的 例子，其在 12.5%占空比下 576µS期间要求高达 1.7A的电流。必须确保所选用的 器件可以支持此类脉冲电流。 功耗和保护特性 功耗也是需要考虑的一个重要特性。在作为直通开关的正常运行期间，根据开关的 导通电阻以及开关电流，可以计算得到功耗。利用公式 2，可以很容易地计算得到 器件的最大功耗。 ONrIP ×= 2 （公式 2） 如果该器件的导通电阻足够低，则功耗较小，并且对器件工作温度产生的影响也极 小。但是，如果使用开关来保护电压轨免受过电流或短路损害(如同USB端口 或指纹传感器保护电路一样)，则要小心。在这种情况下，必须选择一种像 TPS22944的电流限制开关。如果不使用电流限制开关，则功耗会成为系统可靠性 的主要问题。例如，3.3V 输入电压下，作用于一个非电流限制负载开关的0.9ٛ短 路(如TPS22902的导通电阻为100mٛ )，会转换成如公式 3 所示的功耗。 WrIP ONSHORT 089.11.03.31.0))1.09.0/(3.3( 222 =×=×+=×= （公式 3） 一般来说，这种功耗对于市售的大多数封装而言都太高，其可导致故障和可靠性问 题。 同样，使用电流限制开关的设计人员需要确定封装能够支持短路状态。如果器件达 到电流限制值，则输出为短路接地时出现最大功耗。对于如 TPS22945 等具有自 动重启时间 tRESTART 和过电流断路时间 tBLANK 的一些器件来说，最大平均功耗如公 式 4 所示。 www. EET-china.com mWIV tt taverageP LIMIN BLANKRESTART BLANK 1222.05.5 1080 10(max)(max))( =××+=××+= （公式 4） 对于那些没有自动重启环路(如 TPS22944 等)的器件来说，输出短路会使器件工作 在恒流状态下，从而保证在热关断启用以前实现极端情况功耗。这样，只要导通引 脚有效且出现短路，它便在进出热关断之间不停地循环。 面对市场上的一些电流限制开关，需要考虑的两个主要特性是：电流限制最小值 (固定电流限制或利用外部电阻的可编程)，以及电流限制精度和响应时间。大多数 应用中，电流限制精度并不是一个关键问题，因为器件用作一个断路器(即出现短 路时关闭开关)。但是，如 USB 电流限制等一些应用的精度就显得很重要，因为开 关是用作一个恒流源。 对于一些要开关大电流或承受过电流的应用来说，建议选择具有某种热保护特性的 器件。当发现器件温度过高时，大多数器件都会启用热关断，关闭FET来保护器件 自身，以避免遭受任何潜在的热损害。 除强制短路保护的电流限制(或过电流保护)以外，还可以考虑如反向电流阻断等其 他一些保护特性。 设计人员尝试设计一种电源选择器(ORing)，或实现某种负载分配时，反向电流阻 断(也称作反向电压保护)则为必需的。 图 1 显示了一个通过两个潜在电源(即DC输入和电池)为负载供电的电源开关配置 实例： 对于没有反向电压保护的器件来说，直通 FET的输入电压保持在其输出电压以上 很重要。否则，输入将会通过 FET主体二极管被钳位控制，从而使大电流从输出 流至输入。 在图 1实例中，如果电池为一块 4.2V(最大)的锂离子电池，启用 DC输入，并且电 压为 5.0V，则潜在大电流将从负载流至电池——我们当然不希望看到这种结果。 一种有效的解决方案是使用一款具有反向电压保护特性的器件。反向电流保护一般 可以通过使用背靠背 FET，或者在探测到反向电压状态时开关 PMOS FET的背栅 来实现。我们将会看到，反向电压比较器跳变点(高于反向电路特性的 VOUT–VIN 阈值被激活)，以及从反向电压状态到 MOSFET关闭的时间。 可有效用于某些应用的另外一种保护是过电压保护(OVP)。该特性在开关出现过电 压时保护开关和系统。例如，它可以有效地用于一些 USB应用或者电池应用中。 浪涌电流管理 www. EET-china.com 电源开关的另一种常见用法是对系统启动时的浪涌电流进行管理。如果开关在不受 控的情况下开启，则会形成巨大的浪涌电流，可导致开关输入电源轨压降。其最终 会影响系统的整体功能。 对大容量输出电容充电时，浪涌电流会很大，需要对其进行控制和/或限制。这种 浪涌电流可由公式 5 计算得到： t VCI LOAD ∂ ∂∗= （公式 5） 例如， VVFCLOAD −== 3,1µ 和 1µS 升压时间的情况下，浪涌电流可以高达 3A。 避免出现这种浪涌电流的一种简单，是减慢开关的升压时间。这样便可缓慢地 对输出电容充电，并降低电流峰值。在公式 5 的实例中，200µS 的升压时间会导 致 15mA 的浪涌电流，这是可以接受的。 某些情况下可能想对一些超大容量电容(数百µF)充电。通常建议选择非常长的升压 时间，但是也可以选择一种具有高电流限制的开关。器件将会在加电时进行电流限 制，同时电容将在电流限制值下获得充电，其为电源开关的最大功耗部分。 系统互操作性 任何情况下，在选择电源开关时，都需要认真地考虑系统互操作性问题。例如，便 携式应用中使用电源开关启用和关闭负载来优化功耗时，开关的控制输入必须与通 用、低电压(1.8V)兼容，GPIO 至关重要。另外，当关闭开关时，请确保开关的浮 动输出不影响系统性能。因此，一些用户可能会在关闭时利用一个额外晶体管将电 源开关输出紧密接地，或者使用一个集成这种下拉接地(如 TPS22902)的集成器 件。 另一个重要的检查点是设计稳定系统所使用的输入和输出电容。尽管通常情况下不 要求使用输入电容来稳定市场上出售的电源开关，但在输入电源处连接一个 0.1uF 到 1uF的低等效串联电阻(ESR)电容器，却被认为是一种较好的模拟设计方法。该 电容可应对电抗性输入源，并改善瞬态响应、噪声及纹波抑制性能。根据开关的负 载，可能会考虑在开关的输出端添加一些额外的储能电容。如果开关没有反向电流 阻断，则强烈建议使用大于输出电容的输入电容，否则输入将会通过 FET 主体二 极管被钳位控制，从而使强大的电流从输出端流到输入端。 表 1 具体的应用要求： www. EET-china.com 图 1 双源电源选择器