负载开关是用于开启和关闭系统中的电源轨的电子继电器。负载开关可用于多种不同的应用,包括但不限于:
-配电
-上电时序控制和电源状态转换
-减小待机模式下的漏电流
-控制上电时间,减少浪涌电流
-控制下电时间,避免下电太慢导致其他问题
前面3条是负载开关的核心,后面两条不是所有的负载开关都具有的。
PMOS分立负载开关电路
下图是一个非常简单的分立负载开关电路,只需要用到一个PMOS管和一个GPIO信号,GPIO连接到MOS管的栅极。当GPIO为高电平时,MOS管关闭。当GPIO为低电平的时候,MOS管打开。
这个电路最大的优点就是简单,那它的缺点是什么呢?
下面来看看上电过程中这个电路的实际表现,如下图:可以看到在开关打开过程中,输入电源出现了较大的跌落。
这是因为在开关打开瞬间,输出电容会导致较大的浪涌电流,从而导致输入电源瞬间跌落。上面的电路中,我们已经让输入电容取值是输出电容的10倍,如果输入电容更小,输出电源跌落会更大。
电源电压跌落只是不好的结果,根本点是浪涌电流。为了方便看出浪涌电流的大小,我们先将1Ω负载电阻去掉,然后观察到开关导通过程中的表现如下:
可以看出,仅4.7uF的电容,就会产生将近2A的浪涌电流。而浪涌电流大小是跟电容值成正比的。如果输出电容增大,浪涌电流可能会更大。(INRUSH=CLOAD*dV/dt)
大的浪涌电流会导致输入电源电压下降、如果该输入电源还给其他模块供电,可能会导致其他模块因为低压导致复位。另外大的浪涌电流也可能导致芯片\连接器\PCB等过流发热损坏。
另外用PMOS作为开关还有一个缺点,输入电压最大值有限制,如下图,Vgate-VIN要小于VGS(th),比如VGS(th)min=-1V,Vgate=3.3V,则VIN不能超过4.3V,否则MOS将会一直打开,无法关闭。
上述电路可以在MOS管栅极串联一个电阻来降低浪涌电流,如下图:
串联电阻与GS之间的电容组成RC电路,可以MOS管的开关时间变长,从而使输出电压上升速度变慢,根据IINRUSH=CLOAD*dV/dt,dt增大,IINRUSH会减小。
实际测试结果如下:
可以看出,加了20k串阻后,电压跌落很小。在PMOS的栅极上增加串阻有助于增加输出的上升时间,同时也增加了PMOS关闭时的下降时间。对于需要快速释放输出负载以加快系统运行的系统来说,这可能是一个缺点。
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