连接和断开电源线路的分步方法和解决方案

本文讨论电路设计人员在电子系统中打开和关闭电源线路的选项。这听起来是件小事,但要成功实施,却需要考虑诸多方面。

在有些电子系统中,需要断开电源线路的连接。例如,可能是切断电池电压,以保持电池电量,或者是断开负载与带电线路的连接。理想情况下,可以使用机械开关来实现这一目的。但是,如果需要通过电子信号进行开关,那么使用电子开关通常更加合适。这类电子开关可能采用MOSFET作为开关元件。除了采用MOSFET的纯分立式解决方案外,还可以使用多种半导体IC来轻松实现电子开关。

图1. 使用N沟道MOSFET和独立驱动器电路 LTC7003来开关电源线路。

首先,必须决定开关元件是N沟道还是P沟道MOSFET。这两种可能都合适。但是,与P沟道MOSFET相比,N沟道MOSFET的电阻更低,所以在导通状态下损耗也更低。其劣势在于N沟道MOSFET的驱动方面。其中,栅极所需的电压高于可用的电源线路电压。

因此,驱动IC中必须包含某种形式的电荷泵。P沟道MOSFET不需要这种类型的增压。但是,N沟通MOSFET的选择范围很广。

接下来,需要选择是将电源开关和驱动器集成在单个封装中,还是使用双芯片解决方案,即将驱动器电路放在一个单独的IC中,并将对应的MOSFET放在另一个封装中。已经针对驱动器电路优化的开关选择更加支持集成在同一个封装中。在这种情况下,开关一般都受到良好保护,在使用期间不会出现过载。这种全集成解决方案也存在劣势,包括市面上的相关产品较少,且成本更高。

第三步,必须确定单个MOSFET是否足以构成机械开关。MOSFET存在一个体二极管,因此,只能在一个方向上开关电流。如果应用要求完全断开线路,确保电流不能向任一方向流动,那么,需要一个两个MOSFET彼此反向串联的解决方案。图2显示了这种开关级配置。

图2. 两个N沟道MOSFET背对背连接来阻断电路中两个方向电流的电路。

最后,必须选择合适的集成电路,也就是,用于MOSFET的驱动器,或是包含MOSFET和驱动器的封装。这个步骤听起来简单,实际上却相当繁琐。通常需要使用负载开关。但是,可选的范围并不大。在很多情况下,可以使用热插拔控制器、电子保险丝、浪涌保护器、理想二极管和电源路径控制器,具体取决于应用和所需的额外监控功能。这些器件多数都包含开关引脚,可以在需要时切断电流。借助ADI公司的LTspice®仿真工具,可以确认该解决方案的精密行为是否满足规格要求。

图3. 使用 LTC4414 低损耗PowerPath控制器作为负载开关的LTspice仿真。

根据具体的应用,断开电源电压可能会非常复杂。但是,可以使用一款带有开关控制引脚的特殊MOS驱动器IC来降低设计难度。

作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal是一名拥有20多年行业经验的电源管理专家。他曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业并于2001年加入National Semiconductor公司,担任现场应用工程师,帮助客户在项目中实施电源管理解决方案,积累了丰富的经验。在此期间,他还在美国亚利桑那州凤凰城工作了4年,担任应用工程师,负责开关模式电源产品。他于2009年加入ADI公司,先后担任多个产品线和欧洲技术支持职位,具备广泛的设计和应用知识,目前担任电源管理专家。Frederik在ADI的德国慕尼黑分公司工作。