負載開關(guān)是用于開啟和關(guān)閉系統(tǒng)中的電源軌的電子繼電器。負載開關(guān)可用于多種不同的應(yīng)用,包括但不限于:
-配電
-上電時序控制和電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換
-減小待機模式下的漏電流
-控制上電時間,減少浪涌電流
-控制下電時間,避免下電太慢導(dǎo)致其他問題
前面3條是負載開關(guān)的核心,后面兩條不是所有的負載開關(guān)都具有的。
PMOS分立負載開關(guān)電路
下圖是一個非常簡單的分立負載開關(guān)電路,只需要用到一個PMOS管和一個GPIO信號,GPIO連接到MOS管的柵極。當GPIO為高電平時,MOS管關(guān)閉。當GPIO為低電平的時候,MOS管打開。
這個電路最大的優(yōu)點就是簡單,那它的缺點是什么呢?
下面來看看上電過程中這個電路的實際表現(xiàn),如下圖:可以看到在開關(guān)打開過程中,輸入電源出現(xiàn)了較大的跌落。
這是因為在開關(guān)打開瞬間,輸出電容會導(dǎo)致較大的浪涌電流,從而導(dǎo)致輸入電源瞬間跌落。上面的電路中,我們已經(jīng)讓輸入電容取值是輸出電容的10倍,如果輸入電容更小,輸出電源跌落會更大。
電源電壓跌落只是不好的結(jié)果,根本點是浪涌電流。為了方便看出浪涌電流的大小,我們先將1Ω負載電阻去掉,然后觀察到開關(guān)導(dǎo)通過程中的表現(xiàn)如下:
可以看出,僅4.7uF的電容,就會產(chǎn)生將近2A的浪涌電流。而浪涌電流大小是跟電容值成正比的。如果輸出電容增大,浪涌電流可能會更大。(INRUSH=CLOAD*dV/dt)
大的浪涌電流會導(dǎo)致輸入電源電壓下降、如果該輸入電源還給其他模塊供電,可能會導(dǎo)致其他模塊因為低壓導(dǎo)致復(fù)位。另外大的浪涌電流也可能導(dǎo)致芯片\連接器\PCB等過流發(fā)熱損壞。
另外用PMOS作為開關(guān)還有一個缺點,輸入電壓最大值有限制,如下圖,Vgate-VIN要小于VGS(th),比如VGS(th)min=-1V,Vgate=3.3V,則VIN不能超過4.3V,否則MOS將會一直打開,無法關(guān)閉。
上述電路可以在MOS管柵極串聯(lián)一個電阻來降低浪涌電流,如下圖:
串聯(lián)電阻與GS之間的電容組成RC電路,可以MOS管的開關(guān)時間變長,從而使輸出電壓上升速度變慢,根據(jù)IINRUSH=CLOAD*dV/dt,dt增大,IINRUSH會減小。
實際測試結(jié)果如下:
可以看出,加了20k串阻后,電壓跌落很小。在PMOS的柵極上增加串阻有助于增加輸出的上升時間,同時也增加了PMOS關(guān)閉時的下降時間。對于需要快速釋放輸出負載以加快系統(tǒng)運行的系統(tǒng)來說,這可能是一個缺點。
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