开关电源设计基础研究

它总结了设计人员在使用电源开关时需要考虑的一些重要规格和概念，并介绍了一些可能的解决方案来援助设计人员选择佳解决方案。

显然，在选择电源开关之前，您应该问自己的个问题是：“我要将此开关用于什么用途？“这是一个简单的问题，但是答案可以援助您定义完美的产品。有几种使用电源开关的方法。常见的是：

操纵，配电和排序（即，打开/关闭电源轨以启用某个子系统或将电源分配给多个负载）
短路或过电流或过电压爱护（USB电流限制，传感器爱护，电源轨短路爱护）
治理接通浪涌电流（即，当电容器正在充电时）
选择电源（即多路复用或“或”）或负载分配。

表1总结了在电源开关的每种特定使用情况下要考虑的重要特性。

操纵，配电和

分类
短路爱护
浪涌电流治理
电流多路复用

（要么）

表1具体应用要求

导通电阻，大电流和输入电压范围

导通电阻（rON），大连续电流和输入电压范围始终是要考虑的关键特性。它们是检查任何设备之前需要学习的基本功能。根据应用，设计人员可以轻松了解要切换的电流和工作电压。根据此信息，您可以进行初步选择。实际上，如果您需要通过1。2V或36V开关可以确定两个完全不同的产品范围。

导通电阻会影响您在开关上看到的电压降。设计人员必须认真了解和其特定应用设置（电压，电流）相关的大同意压降。可以使用公式1轻松计算得出：

其中，电压降为VDROP，直通FET的导通电阻为rON，流过开关的电流为I。

如果应用需要切换大量电流，或用于低压电源轨（例如G）。 1。0-V）要切换，您需要小化电压降。因此，导通电阻必须完可能低，例如：TPS2292x系列3的独特导通电阻。6V时14m欧姆rON但是，如果开关电流很小，则导通电阻不是关键问题。 您可以选择大约1欧姆的高导通电阻设备（例如TPS2294x系列）。导通电阻是功率开关装置的芯片尺寸的重要因素，因此是装置成本的重要原因。您需要认真研究以选择成本低的解决方案。

除了设计人员关怀的大开关连续电流外，另一个重要的特性是开关同意的大脉冲电流。在某些应用中，大部分时间所需的负载包含适度的连续电流。但是，当某个子系统需要更多功率时，峰值很明显。GSM / GPRS发送脉冲就是一个很好的例子。576μS在5％的占空比下多需要1。7A电流。请确保所选设备可以支持脉冲电流。

功耗和爱护

功耗也是要考虑的重要功能。在正常操作中用作直通开关时，可以根据开关的导通电阻和开关电流来计算功耗。使用公式2，您可以轻松计算出器件的大功耗。

如果设备的导通电阻足够低，则功耗特别小，并且对设备工作温度的影响也将小。但是，如果要使用开关爱护电压轨免受过电流或短路损坏（例如USB端口或指纹传感器爱护电路），请当心。在这种情况下，您必须选择一个限流开关，例如：TPS22944。如果不使用限流开关，功耗将成为系统可靠性的主要问题。例如3。在3V的输入电压下，它作用于非限制性负载开关。9-？ 短路（例如，TPS22902的导通电阻约为100 m？），将转换为功耗，如公式3所示。

通常，对于大多数商业包装，此功耗太高，这可能会导致故障和可靠性问题。

同样，使用限流开关的设计人员需要确定封装可以支持短路条件。如果器件达到电流限制，则输出短路接地时将发生大功耗。对于某些具有自动重启时间tRESTART和过流断开时间tBLANK的设备（例如TPS22945），大平均功耗如公式4所示。

对于没有自动重启周期的设备（例如TPS22944等）。）。），输出短路将导致器件在恒定电流状态下工作，从而确保在启用热关断之前实现了很大的功耗。这样，只要导电引脚处于活动状态并且发生短路，它将在进入和退出热关断之间循环。

市场上有一些限位开关。 要考虑的两个主要特性是小电流限制（固定电流限制或使用外部电阻进行编程）以及电流限制精度和响应时间。在大多数应用中，限流精度不是关键问题，因为该设备充当断路器（即，在发生短路时闭合开关）。但是，由于开关用作恒流源，因此某些应用的精度（例如USB电流限制）特别重要。

对于某些想要切换大电流或承受过电流的应用，我们建议您选择具有某些热爱护特性的设备。当发觉设备温度过高时，大多数设备将启用热关断功能并关闭FET，以爱护设备本身免受任何潜在的热损害。

除了用于强制短路爱护（或过电流爱护-OCP）的电流限制外，还可以考虑其他爱护功能，例如反向电流阻断。

设计人员尝试设计电源选择器（ORing）或实现肯定的负载分配，这需要反向电流阻断（也称为反向电压爱护）。

图1显示了一个电源开关配置示例，该配置通过两个潜在电源（即DC输入和电池）为负载供电：

图1双源电源选择器

对于没有反向电压爱护的设备，保持直通FET的输入电压高于其输出电压特别重要。否则，输入将被FET的体二极管钳位并操纵，从而导致大电流从输出流向输入。

在图1的示例中，如果电池是一块4块。2V（大）锂离子（Li-Ion）电池，启用DC输入，电压为5。0V，可能有很大的电流从负载流向电池-当然，我们不期望看到此结果！

一个有效的解决方案是使用具有反向电压爱护功能的设备。当检测到反向电压状态时，通常可以通过使用背对背FET或切换PMOS FET的背栅来实现反向电流爱护。您将研究反向电压比较器的跳变点（VOUT – VIN值，这是启用反向电流特性的阈值），以及从反向电压状态到MOSFET关断的时间。

可以在某些应用中有效使用的另一种爱护类型是过压爱护（OVP）。当开关中出现过电压时，此功能可以爱护开关和系统。例如，它可以有效地用于某些USB应用或电池应用中。

浪涌电流治理

电源开关的另一个常见用途是治理系统启动期间的浪涌电流。如果开关在不受操纵的条件下断开，则会形成庞大的浪涌电流，这可能会导致开关的输入电源轨电压下降。它将终影响系统的整体功能。

当对大容量输出电容器充电时，浪涌电流将很大，并且需要对其进行操纵和/或限制。浪涌电流可以通过公式5计算：

例如，在1μS的升压时间下，浪涌电流可能高达3A。

幸免这种浪涌电流的一种简单方法是减慢开关升压时间。这将使输出电容器缓慢充电并降低峰值电流。在公式5的示例中，200μS的升压时间将导致15 mA的浪涌电流，这是可以接受的。

在某些情况下，您可能需要为一些特别大的电容器（数百μF）充电。通常建议选择一个很长的升压时间，但是您也可以选择一个具有高电流限制的开关。上电后，设备将限制电流，电容器将在电流限制（即电源开关的大功耗能力）下充电。

系统互通性

无论如何，在选择电源开关时，您需要认真考虑系统的互操作性。例如，在便携式应用中使用电源开关启用和禁用负载以优化功耗时，开关的操纵输入必须和通用低压（1。8-V）兼容性，GPIO是必不可少的。其它，在合上开关时，请确保开关的浮动输出不会影响系统性能。因此，某些用户可能会在关闭电源时使用额外的晶体管来关闭电源开关输出到地，或者使用集成了下拉地的集成设备（例如TPS22902）。

另一个重要的检查点是用于稳定系统的输入和输出电容器的设计。完管通常不需要输入电容器来稳定一些商用电源开关，但它们仍旧为零。1uF至1uF的低等效串联电阻（ESR）电容器被认为是一种更好的模拟设计方法。该电容器可以处理无功输入源，并改善瞬态响应，噪声和纹波抑制性能。根据开关的负载，您可以考虑在开关的输出端添加一些额外的存储电容器。如果开关没有被反向电流堵塞，则强烈建议使用比输出电容器大的输入电容器，否则输入将被FET的体二极管钳位和操纵，以使大电流从输出流过。

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