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電源中的負(fù)載管理與負(fù)載開關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2008-10-16 來源:www.EDN China.com

中心論題:

  • 分析電源管理IC和負(fù)載開關(guān)IC組成的負(fù)載管理
  • 分析電源管理IC及負(fù)載開關(guān)組成的結(jié)構(gòu)
  • 分析新型負(fù)載開關(guān)的特點(diǎn)
  • 介紹幾種較典型的負(fù)載開關(guān)

解決方案:

  • 微處理器通過控制電源的工作來實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理
  • 微處理器給各個(gè)負(fù)載開關(guān)的ON/OFF端輸出邏輯電平實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理

 

前言
近年來,很多、纖巧型便攜式電子產(chǎn)品被開發(fā)出來,如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3、MP4、PDA、GPS及DVD等。它們不僅體積小、重量輕、功能多,并且充電的時(shí)間間隔較長(zhǎng),即產(chǎn)品省電,從而延長(zhǎng)了電池的壽命。
  
為延長(zhǎng)產(chǎn)品充電的時(shí)間間隔,設(shè)計(jì)者采用了很多辦法:采用單位體積、單位重量的電池容量最大的鋰離子電池或鋰聚合物電池,并且增加了電池的容量;在電路設(shè)計(jì)上采用節(jié)省電能的電路;在元器件選擇上采用高效率的低功耗或微功耗產(chǎn)品或用專用集成電路以減少功率損耗;而最重要的措施是產(chǎn)品在不同的工作狀態(tài)時(shí),為有用的電路供電,而將暫時(shí)不用的電路斷電,這樣可最大限度地省電,這就是采用負(fù)載管理。
  
電源給各個(gè)電路供電,各個(gè)電路就是電源的"負(fù)載"。例如發(fā)射電路及接收電路是電源的負(fù)載,功率放大電路也是電源的負(fù)載。另外,電源的負(fù)載還包括一些器件(如LED)或一些其他產(chǎn)品(如硬盤、直流電動(dòng)機(jī)等)。多功能的便攜式電子產(chǎn)品有很多功能電路組成,隨著工作電壓的不同,對(duì)電源的要求也不相同,因此有多個(gè)電源。要實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理并不容易,現(xiàn)代的負(fù)載管理是由微處理器、電源管理IC及負(fù)載開關(guān)組成。
  
電源管理IC組成的負(fù)載管理
微處理器通過控制電源的工作來實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理,如圖1所示,圖1中有N個(gè)電源,每個(gè)電源帶一個(gè)負(fù)載(有N個(gè)負(fù)載)。每一個(gè)電源都有一個(gè)使能端(EN,高電平有效)或關(guān)閉電源控制端(SHDN,低電平有效),微處理器的I/O口與電源的EN端或SHDN端連接,輸出邏輯電平來控制電源的開通或關(guān)斷,這樣就可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。例如,某產(chǎn)品有6個(gè)電源,在某種工作狀態(tài)時(shí),需要電源1~3開通,則負(fù)載1~3得電工作,電源4~6關(guān)斷,負(fù)載4~6失電不工作,只要在電源1~3的EN端加邏輯高電平,在電源4~6的EN端加低電平即可。 

 
圖2是TI公司的一種電源管理IC(TPS65021)的功能結(jié)構(gòu)示意圖。它由1節(jié)鋰離子電池供電,由微處理器通過I2C與器件接口。TPS65021內(nèi)部有控制功能電路及6個(gè)電源(3個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器,3個(gè)線性穩(wěn)壓器LDO,輸出V1-V6電壓)。它可以給手機(jī)供電及實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。

 
數(shù)碼相機(jī)中有三種電源:系統(tǒng)電源、LCD電源以及白光LED驅(qū)動(dòng)電源(背光照明及閃光燈電源)。系統(tǒng)電源部分由4個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器組成,如圖3所示。它分別給CCD攝像頭、I/F接口電路、CPU的核及伸縮鏡頭的電動(dòng)機(jī)供電,通過微處理器可做負(fù)載管理,微處理器也可以根據(jù)工作狀態(tài)要求來控制LCD背光亮度及閃光燈驅(qū)動(dòng)電路。

 
負(fù)載開關(guān)IC組成的負(fù)載管理

負(fù)載管理也可以由微處理器與多個(gè)負(fù)載開關(guān)組成。負(fù)載開關(guān)是一種功率電子開關(guān),其基本工作原理如圖4-a)所示,它由兩個(gè)MOSFET(Q1:P-MOSFET及Q2:N-MOSFET)及一個(gè)電阻R組成。其工作原理是:在ON/OFF端加高電平時(shí),Q2導(dǎo)通;Q2導(dǎo)通時(shí)將Q1的柵極拉到接近地電平,若其IN接電源電壓VIN,則Q1的源極與柵極之間的-VGS≈VIN,則Q1相繼導(dǎo)通,電源電壓可經(jīng)過負(fù)載開關(guān)給負(fù)載供電;若在ON/OFF端加低電平,則Q2截止;Q1的柵極及源極由電阻R連接,使柵極與源極同電位,即-VGS=0V,Q1截止,電源被切斷,負(fù)載失電。負(fù)載開關(guān)的等效電路如4-b)所示。

 
由微處理器及N個(gè)負(fù)載開關(guān)及N個(gè)負(fù)載組成的負(fù)載管理結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。各個(gè)負(fù)載開關(guān)接在電源與負(fù)載之間,其ON/OFF端與微處理器的I/O口連接。在不同的工作狀態(tài)時(shí),由微處理器給各個(gè)負(fù)載開關(guān)的ON/OFF端輸出邏輯電平;輸入高電平的負(fù)載得電,輸入低電平的負(fù)載失電。采用這種方案也能實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理,主要用于一個(gè)電源帶多個(gè)負(fù)載的產(chǎn)品中。
  
電源管理IC及負(fù)載開關(guān)組成的結(jié)構(gòu)
在實(shí)際應(yīng)用中,往往由于電路復(fù)雜而采用電源管理IC及多個(gè)負(fù)載開關(guān)組成的負(fù)載管理系統(tǒng),如圖6所示。圖6中有3個(gè)電源,輸出不同的電壓。電源1給負(fù)載1~3供電。為了控制負(fù)載1~3的通電或失電,在電源與負(fù)載之間設(shè)了3個(gè)負(fù)載開關(guān)。電源2、電源3則由電源管理IC來控制其負(fù)載的通電或失電。


  
新型負(fù)載開關(guān)的特點(diǎn)
近年來,隨著便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展,各種先進(jìn)的、多功能的(有的公司稱它為"全能的"或"智能的")負(fù)載開關(guān)出現(xiàn)了。歸納起來,這些用于負(fù)載管理的負(fù)載開關(guān)具有下述特點(diǎn):
  
增加保護(hù)功能

負(fù)載開關(guān)是功率器件,大多數(shù)器件有過熱關(guān)閉保護(hù),有的負(fù)載開關(guān)內(nèi)部設(shè)有輸出電流限制電路(限制電流是固定的)或限制電流可設(shè)定的品種,可保證負(fù)載不過載受損,保證系統(tǒng)安全工作。另外,一般負(fù)載開關(guān)都設(shè)有輸入電壓過低時(shí),輸出鎖存(UVLO);有故障時(shí)給微處理器輸出故障信號(hào)。
  
提高性能
提高性能包括:減小導(dǎo)通電阻RDS(on),以減少損耗,目前可做到RDS(on)=30MΩ左右;降低靜態(tài)電流IQ,IQ最小的僅25nA;為防止開關(guān)導(dǎo)通瞬間有較大的沖擊電流,設(shè)有軟啟動(dòng)(有的負(fù)載開關(guān)有多種啟動(dòng)時(shí)間供用戶選擇或由用戶根據(jù)負(fù)載情況自行設(shè)定);負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時(shí)增加了放電電路,加速關(guān)斷時(shí)間;有負(fù)載開關(guān)關(guān)斷時(shí)防止產(chǎn)生反向電流(由OUT端流向IN端,可將開關(guān)管中的二極管去掉);降低工作電壓以滿足供CPU核的需要,最低工作電壓為0.8V,工作電范圍寬,有的為1.2~5.5V,也有的為3~13.5V,以滿足不同工作電壓的需要;電流范圍為1~6A,可滿足各種便攜式的需要。

封裝尺寸小
為滿足便攜式體積小的要求,負(fù)載開關(guān)一般采用SOT-23封裝、2mm×2mm MLP或MLF封裝、SC-70封裝,最小的采用6焊球BGA封裝,其尺寸為1.5mm×1.0mm。
  
這里簡(jiǎn)單地介紹幾種較典型的負(fù)載開關(guān)。

典型便攜式負(fù)載開關(guān)
a.封裝最小的負(fù)載開關(guān)FPF1003/4
FPF1003/4是飛兆公司于2007年4月推出的負(fù)載管理器件。其主要特點(diǎn)為:輸入電壓范圍1.2~5.5V;導(dǎo)通電阻RDS(on),在VIN=5.5V時(shí)為30MΩ,靜態(tài)電流IQ≤1μA;FPF1004內(nèi)部關(guān)斷時(shí)有放電電路,關(guān)斷時(shí)間為10μs;最大連續(xù)開關(guān)電流為2A;工作溫度范圍為-40℃~+85℃,小尺寸6焊球BGA封裝(1.5×1.0mm2);開關(guān)導(dǎo)通時(shí),有電壓上升率控制。
  
該負(fù)載開關(guān)適用于現(xiàn)代超小型便攜式電子產(chǎn)品,如PDA、手機(jī)、GPS、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)等。
  
該器件典型應(yīng)用電路如圖7所示,輸入電容一般為1μF,輸出電容為0.1μF(都采用多層陶瓷電容器)。如在ON端加邏輯高電平時(shí),開關(guān)導(dǎo)通(VIN=1.2V時(shí),VIH≥0.8V;VIN=2.7~5.5V時(shí),VIH≥2V);ON端加邏輯低電平時(shí),開關(guān)關(guān)斷(VIN=1.2V時(shí),VIL≤0.35V;VIN=2.7V~5.5V時(shí),VIL≤0.8V)。RDS(on)與VIN有關(guān):VIN=5.5V時(shí),RDS(on)≤30MΩ;VIN=1.2V時(shí),RDS(on)≤150MΩ。
  
該器件最大的亮點(diǎn)是在這樣小的封裝時(shí)可連續(xù)供電2A,并且可工作于1.2V低壓,其不足之處是尺寸太小,無法再集成過熱關(guān)閉等保護(hù)電路。
  
b.負(fù)載開關(guān)FPF2163/4/5系統(tǒng)
FPF2163/4/5系列是飛兆公司于2007年7月推出的輸出電流可設(shè)定的多功能負(fù)載開關(guān)。該系列主要特點(diǎn):輸入電壓范圍為1.8~5.5V;可設(shè)定限制電流的范圍為0.15~1.5A;輸入電壓低于閾值電壓時(shí),輸出鎖存(UVLO);有過熱關(guān)閉保護(hù);開關(guān)關(guān)斷時(shí)耗電小于2μA;靜態(tài)電流小于7.7μA;過流后輸出限制電流(恒流)的響應(yīng)快:中等的過流時(shí)響時(shí)間為5μS;短路時(shí)為30nS;發(fā)生欠壓鎖存、過熱及過流故障時(shí),輸出閉鎖,并有故障信號(hào)輸出;開關(guān)關(guān)斷時(shí)無反向電流,2×2mm2微FET-6封裝。
  
該系列FPF2163、FPF2164、FPF2165在功能上有一些差別,如表1所示。

 
該系列負(fù)載開關(guān)除了用于PDA、手機(jī)、GPS、MP3播放機(jī)、數(shù)碼相機(jī)這類便攜式電子產(chǎn)品外,由于有限流設(shè)定的功能(具有功率分配功能),也可用于外設(shè)端口及熱插拔電源中。FPF2164還可以用作"電子保險(xiǎn)絲"。
  
FPF2163/4/5的引腳排列如圖8所示。 

 
限制電流ILIM的設(shè)定與RSET有關(guān),其關(guān)系式為:RSET=275.6/ILIM。式中RSET的單位為歐姆,ILIM的單位為安培。設(shè)定的限制電流有一定的允差,如表2所示。 

 
FPF2163/4/5系列負(fù)載開關(guān)的封裝尺寸?。?mm×2mm)、功能齊全,是一種較好的負(fù)載管理系統(tǒng)用的器件。

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