電源中的負載管理與負載開關(guān)設計與實現(xiàn)
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、數(shù)碼相機、MP3、MP4、PDA、GPS及DVD等。它們不只體積小、重量輕、功用多,并且充電的時間距離較長,即產(chǎn)品省電,從而延長了電池的壽命。
為延長產(chǎn)品充電的時間距離,設計者采用了很多方法: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;在電路設計上采用儉省電能的電路;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,為有用的電路供電,而將暫時不用的電路斷電,這樣可最大限度地省電,這就是采用負載管理。
電源給各個電路供電,各個電路就是電源的\"負載\"。例如發(fā)射電路及接納電路是電源的負載,功率放大電路也是電源的負載。另外,電源的負載還包括一些器件(如LED)或一些其他產(chǎn)品(如硬盤、直流電動機等)。多功用的便攜式電子產(chǎn)品有很多功用電路組成,隨著工作電壓的不同,對電源的請求也不相同,因而有多個電源。要完成負載管理并不容易,現(xiàn)代的負載管理是由微處置器、電源管理IC及負載開關(guān)組成。
電源管理IC組成的負載管理
微處置器經(jīng)過控制電源的工作來完成負載管理,如圖1所示,圖1中有N個電源,每個電源帶一個負載(有N個負載)。每一個電源都有一個使能端(EN,高電平有效)或關(guān)閉電源控制端(SHDN,低電平有效),微處置器的I/O口與電源的EN端或SHDN端銜接,輸出邏輯電平來控制電源的開通或關(guān)斷,這樣就能夠完成負載管理。例如,某產(chǎn)品有6個電源,在某種工作狀態(tài)時,需求電源1~3開通,則負載1~3得電工作,電源4~6關(guān)斷,負載4~6失電不工作,只需在電源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)的功用構(gòu)造表示圖。它由1節(jié)鋰離子電池供電,由微處置器經(jīng)過I2C與器件接口。TPS65021內(nèi)部有控制功用電路及6個電源(3個DC/DC轉(zhuǎn)換器,3個線性穩(wěn)壓器LDO,輸出V1-V6電壓)。它能夠給手機供電及完成負載管理。
數(shù)碼相機中有三種電源:系統(tǒng)電源、LCD電源以及白光LED驅(qū)動電源(背光照明及閃光燈電源)。系統(tǒng)電源局部由4個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機供電,經(jīng)過微處置器可做負載管理,微處置器也能夠依據(jù)工作狀態(tài)請求來控制LCD背光亮度及閃光燈驅(qū)動電路。
負載開關(guān)IC組成的負載管理
負載管理也能夠由微處置器與多個負載開關(guān)組成。負載開關(guān)是一種功率電子開關(guān),其根本工作原理如圖4-a)所示,它由兩個MOSFET(Q1:P-MOSFET及Q2:N-MOSFET)及一個電阻R組成。其工作原理是:在ON/OFF端加高電平常,Q2導通;Q2導通時將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相繼導通,電源電壓可經(jīng)過負載開關(guān)給負載供電;若在ON/OFF端加低電平,則Q2截止;Q1的柵極及源極由電阻R銜接,使柵極與源極同電位,即-VGS=0V,Q1截止,電源被切斷,負載失電。負載開關(guān)的等效電路如4-b)所示。
由微處置器及N個負載開關(guān)及N個負載組成的負載管理構(gòu)造框圖如圖5所示。各個負載開關(guān)接在電源與負載之間,其ON/OFF端與微處置器的I/O口銜接。在不同的工作狀態(tài)時,由微處置器給各個負載開關(guān)的ON/OFF端輸出邏輯電平;輸入高電平的負載得電,輸入低電平的負載失電。采用這種計劃也能完成負載管理,主要用于一個電源帶多個負載的產(chǎn)品中。
電源管理IC及負載開關(guān)組成的構(gòu)造
在實踐應用中,常常由于電路復雜而采用電源管理IC及多個負載開關(guān)組成的負載管理系統(tǒng),如圖6所示。圖6中有3個電源,輸出不同的電壓。電源1給負載1~3供電。為了控制負載1~3的通電或失電,在電源與負載之間設了3個負載開關(guān)。電源2、電源3則由電源管理IC來控制其負載的通電或失電。
新型負載開關(guān)的特性
近年來,隨著便攜式電子產(chǎn)品的開展,各種先進的、多功用的(有的公司稱它為\"全能的\"或\"智能的\")負載開關(guān)呈現(xiàn)了。歸結(jié)起來,這些用于負載管理的負載開關(guān)具有下述特性:
增加維護功用
負載開關(guān)是功率器件,大多數(shù)器件有過熱關(guān)閉維護,有的負載開關(guān)內(nèi)部設有輸出電流限制電路(限制電流是固定的)或限制電流可設定的種類,可保證負載不過載受損,保證系統(tǒng)平安工作。另外,普通負載開關(guān)都設有輸入電壓過低時,輸出鎖存(UVLO);有毛病時給微處置器輸出毛病信號。
進步性能
進步性能包括:減小導通電阻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;為避免開關(guān)導通霎時有較大的沖擊電流,設有軟啟動(有的負載開關(guān)有多種啟動時間供用戶選擇或由用戶依據(jù)負載狀況自行設定);負載開關(guān)關(guān)斷時增加了放電電路,加速關(guān)斷時間;有負載開關(guān)關(guān)斷時避免產(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核的需求,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求;電流范圍為1~6A,可滿足各種便攜式的需求。
封裝尺寸小
為滿足便攜式體積小的請求,負載開關(guān)普通采用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。
這里簡單地引見幾種較典型的負載開關(guān)。
典型便攜式負載開關(guān)
封裝最小的負載開關(guān)FPF1003/4
FPF1003/4是飛兆公司于2007年4月推出的負載管理器件。其主要特性為:輸入電壓范圍1.2~5.5V;導通電阻RDS(on),在VIN=5.5V時為30MΩ,靜態(tài)電流IQ≤1μA;FPF1004內(nèi)部關(guān)斷時有放電電路,關(guān)斷時間為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)導通時,有電壓上升率控制。
該負載開關(guān)適用于現(xiàn)代超小型便攜式電子產(chǎn)品,如PDA、手機、GPS、MP3播放器、數(shù)碼相機等。
該器件典型應用電路如圖7所示,輸入電容普通為1μF,輸出電容為0.1μF(都采用多層陶瓷電容器)。如在ON端加邏輯高電平常,開關(guān)導通(VIN=1.2V時,VIH≥0.8V;VIN=2.7~5.5V時,VIH≥2V);ON端加邏輯低電平常,開關(guān)關(guān)斷(VIN=1.2V時,VIL≤0.35V;VIN=2.7V~5.5V時,VIL≤0.8V)。RDS(on)與VIN有關(guān):VIN=5.5V時,RDS(on)≤30MΩ;VIN=1.2V時,RDS(on)≤150MΩ。
該器件最大的亮點是在這樣小的封裝時可連續(xù)供電2A,并且可工作于1.2V低壓,其缺乏之處是尺寸太小,無法再集成過熱關(guān)閉等維護電路。
負載開關(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定的多功用負載開關(guān)。該系列主要特性:輸入電壓范圍為1.8~5.5V;可設定限制電流的范圍為0.15~1.5A;輸入電壓低于閾值電壓時,輸出鎖存(UVLO);有過熱關(guān)閉維護;開關(guān)關(guān)斷時耗電小于2μA;靜態(tài)電流小于7.7μA;過流后輸出限制電流(恒流)的響應快:中等的過流時響時間為5μS;短路時為30nS;發(fā)作欠壓鎖存、過熱及過流毛病時,輸出閉鎖,并有毛病信號輸出;開關(guān)關(guān)斷時無反向電流,2×2mm2微FET-6封裝。
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