連接和斷開電源線路的分步方法和解決方案

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作者:ADI現場應用工程師Frederik Dostal 本文討論電路設計人員在電子系統中打開和關閉電源線路的 […]

作者:ADI現場應用工程師Frederik Dostal

本文討論電路設計人員在電子系統中打開和關閉電源線路的選項。這聽起來是件小事,但要成功進行,卻需要考慮許多層面。

在有些電子系統中,需要斷開電源線路的連接。例如,可能是切斷電池電壓,以保持電池電量,或者是斷開負載與具有電線路的連接。理想情況下,可以使用機械開關來實現這一目的。但是,如果需要透過電子訊號進行切換,那麼使用電子開關通常更加合適。這類電子開關可能採用MOSFET作為切換元件。除了採用MOSFET的純分立式解決方案外,還可以使用多種半導體IC來輕鬆實現電子開關。

Figure 1. Switching a supply line with an N-channel MOSFET and a separate driver circuit, the LTC7003.
Figure 1. Switching a supply line with an N-channel MOSFET and a separate driver circuit, the LTC7003.

圖1. 使用N通道MOSFET和獨立驅動器電路 LTC7003來切換電源線路。

因此,驅動IC中必須包含某種形式的電荷泵。P通道MOSFET不需要這種類型的增壓。但是,N通道MOSFET的選擇範圍很廣。

首先,必須決定切換元件是N通道還是P通道MOSFET。這兩種可能都合適。但是相較於P通道MOSFET,N通道MOSFET的電阻更低,所以在導通狀態下損耗也更低。其劣勢在於N通道MOSFET的驅動方面。其中,閘極所需的電壓高於可用的電源線路電壓。因此,驅動IC中必須包含某種形式的電荷泵。P通道MOSFET不需要這種類型的增壓。但是,N通道MOSFET的選擇範圍很廣。

接下來,需要選擇是將電源開關和驅動器整合在單一封裝中,還是使用雙晶片解決方案,即將驅動器電路放在一個單獨的IC中,並將對應的MOSFET放在另一個封裝中。已經針對驅動器電路優化的切換選擇更加支援整合在同一個封裝中。在這種情況下,開關一般都受到良好保護,在使用期間不會出現超載。這種全整合解決方案也存在劣勢,包括市面上的相關產品較少,且成本更高。

第三步,必須確定單一MOSFET是否足以構成機械開關。MOSFET存在一個體二極體,因此,只能在一個方向上切換電流。如果應用要求完全斷開線路,確保電流不能向任一方向流動,那麼,需要一個兩個MOSFET彼此反向串聯的解決方案。圖2顯示了這種開關級配置。

Figure 2. A circuit in which current flow in both directions can be prevented by two N-channel MOSFETs back to back.
Figure 2. A circuit in which current flow in both directions can be prevented by two N-channel MOSFETs back to back.

圖2. 兩個N通道MOSFET背對背連接來阻斷電路中兩個方向電流的電路。

最後,必須選擇合適的積體電路,也就是運用於MOSFET的驅動器或是包含MOSFET和驅動器的封裝。此步驟聽起來簡單,實際上卻相當繁瑣。通常需要使用負載開關。但是可選的範圍並不大。在很多情況下,可以使用熱插拔控制器、電子保險絲、湧浪保護器、理想二極體和電源路徑控制器,具體取決於應用和所需的額外監控功能。其元件多數都包含開關接腳,可以在需要時切斷電流。借助ADI的LTspice®模擬工具,可以確認該解決方案的精密行為是否滿足規格要求。

Figure 3. An LTspice simulation with an LTC4414 low loss PowerPath™ controller as a load switch.
Figure 3. An LTspice simulation with an LTC4414 low loss PowerPath™ controller as a load switch.

圖3. 使用 LTC4414 低損耗PowerPath控制器作為負載開關的LTspice模擬。

根據具體應用,斷開電源電壓可能會非常複雜。但是,可以使用一款具有開關控制接腳的特殊MOS驅動器IC來降低設計難度。

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