开关电源计划根底学习

2017-09-15 20:16分类：电子技术阅读：

运用电源开关时计划人员需求思考的一些首要规范和概念进行了总结，并介绍了一些或许的处理计划，旨在帮忙计划人员挑选一种最好的处理计划。

很显着，在挑选电源开关早年您应当问您自个的榜首个疑问是：“我想要用这个开关来做啥？”这是一个简略的疑问，但其答案却能帮忙您界说完美的商品。运用电源开关的办法有数种。最为多见的是：

操控、配电和排序（即翻开/封闭电源轨来启用某个子体系或许为多个负载配电）短路或许过电流或过电压维护（USB电流束缚、传感器维护、电源轨短路维护）处理接通浪涌电流（即电容充电时）挑选电源（即多路复用或ORing）或许负载分配。

表 1 归纳了电源开关每种详细运用状况下需求思考的首要特性。

	操控、配电和排序	短路维护	浪涌电流处理	电流多路复用（ORing）
经过 FET 导通电阻	°	°	°	°
受控改换速率	°		°
过电流维护 (OCP)		°	•	•
过压维护 (OVP)		•		•
反向电流维护		•		°
功耗	°	°	°	°
处理计划规范	°	•	•	•
输入电压计划	°	°	°	°
最大继续电流	°	°	°	°
热维护	•	°	•	•
操控逻辑，GPIO 兼容性	°		•	•

° : 需求思考的首要特征 / 特性。
• : 有十分好，但非强行特性，也非首要特性。
表 1 详细的运用央求
导通电阻、最大电流和输入电压计划
导通电阻 (rON)、最大继续电流和输入电压计划一向都是需求思考的要害特性。它们是您在查询任何器材早年需求研讨的底子特性。依据运用，计划人员能够轻松地知道需求开关的电流，以及作业电压的巨细。依据这类信息，您便能够做出开端的挑选。实习上，假定您需求一个能够经过 1.2V 或 36V 的开关，便能够断定两种彻底纷歧样的商品计划。
导通电阻会影响您在开关上看到的压降。计划人员有必要细心了解其特定运用设置（电压、电流）有关的最大容许压降。运用公式1能够很简略地核算得到：

其间，压降为 VDROP，直通 FET 导通电阻为 rON，而经过开关的电流为 I。
假定运用需求开关很多的电流，或许对低压轨（如 1.0-V）进行开关，则需求最小化压降。因而，导通电阻需求尽或许地低，例如：TPS2292x 系列特有 3.6-V 的14-m Ohm rON。可是，假定要开关的电流较少，则导通电阻便不是一个要害疑问，您能够挑选一个约为 1 Ohm 的高导通电阻器材（如 TPS2294x 系列商品）。导通电阻是电源开关器材裸片规范的一个首要要素，然后也是器材本钱的首要要素。您要对其细心研讨，以挑选最低本钱的处理计划。
除计划人员注重的开关最大继续电流以外，另一个首要特性是开关容许的最大脉冲电流。在某些运用中，大大都时分央求的负载均包含中等的继续电流。可是，当某个子体系央求更多功率时峰值便了解明晰。GSM/GPRS 发射脉冲就是一个较好的比方，其在 12.5% 占空比下 576µS 时期央求高达 1.7A 的电流。请断定所选用的器材能够支撑这种脉冲电流。
功耗和维护特性
功耗也是需求思考的一个首要特性。在作为直通开关的正常作业时期，依据开关的导通电阻以及开关电流，能够核算得到功耗。运用公式 2，您能够很简略地核算得到器材的最大功耗。

假定该器材的导通电阻满意低，则功耗较小，而且对器材作业温度发作的影响也极小。可是，假定您计划运用开关来维护电压轨免受过电流或许短路危害（如USB端口或指纹传感器维护电路一样），则要留神。在这种状况下，您有必要挑选一种电流束缚开关，例如：TPS22944 等。假定您不运用电流束缚开关，则功耗会变成体系牢靠性的首要疑问。例如，3.3-V 输入电压下，作用于一个非电流束缚负载开关的 0.9- 短路（如 TPS22902 的导通电阻为 ~100-m），会改换成如公式 3 所示的功耗。

通常来说，这种功耗关于市售的大大都封装而言都太高，其可致使缺点和牢靠性疑问。
一样，运用电流束缚开关的计划人员需求断定封装能够支撑短路状况。假定器材抵达电流束缚值，则输出为短路接地时呈现最大功耗。关于如 TPS22945 等具有主动重启时刻 tRESTART 和过电流断路时刻 tBLANK 的一些器材来说，最大均匀功耗如公式 4 所示。

关于那些没有主动重启环路（如 TPS22944 等）的器材来说，输出短路会使器材作业在恒流状况下，然后确保在热关断启用早年结束极点状况功耗。这么，只需导通引脚有用且呈现短路，它便在进出热关断之间不断地循环。
商场上有一些电流束缚开关，需求思考的两个首要特性是电流束缚最小值（固定电流束缚或运用外部电阻编程），以及电流束缚精度和照顾时刻。大大都运用中，电流束缚精度并不是一个要害疑问，由于器材用作一个断路器（即呈现短路时封闭开关）。可是，如 USB 电流束缚等一些运用的精度就显得很首要，由于开关是用作一个恒流源。
关于一些要开关大电流或承受过电流的一些运用来说，咱们主张您挑选具有某种热维护特性的器材。当发现器材温度过高时，大大都器材都会启用热关断，封闭 FET 来维护器材本身，以避免遭受任何潜在的热危害。
除强行短路维护的电流束缚（或许过电流维护—OCP）以外，还能够思考如反向电流阻断等别的一些维护特性。
计划人员测验计划一种电源挑选器 (ORing)，或许结束某种负载分配时，反向电流阻断（也称作反向电压维护）则为必需的。
图 1 显现了一个经过两个潜在电源（即 DC 输入和电池）为负载供电的电源开关配备实例：

图 1 双源电源挑选器
关于没有反向电压维护的器材来说，直通 FET 的输入电压坚持在其输出电压以上很首要。不然，输入将会经过 FET 主体二极管被钳位操控，然后使大电流从输出流至输入。
在图 1 实例中，假定电池为一块 4.2V（最大）的锂离子 (Li-Ion) 电池，启用 DC输入，而且电压为 5.0V，则潜在大电流将从负载流至电池——咱们当然不期望看到这种作用！
一种有用的处理计划是运用一款具有反向电压维护特性的器材。反向电流维护通常能够经过运用背靠背 FET，或许在勘探到反向电压状况时开关 PMOS FET 的背栅来结束。您将会研讨反向电压比照器跳变点（VOUT – VIN值，即启用反向电流特性的阈值），以及从反向电压状况到 MOSFET 封闭的时刻。
可有用用于某些运用的别的一种维护是过电压维护 (OVP)。该特性在开关呈现过电压时，维护开关和体系。例如，它能够有用地用于一些 USB 运用或许电池运用中。
浪涌电流处理
电源开关的另一种多见用法是对体系主张时的浪涌电流进行处理。假定开关在不受控的状况下翻开，则会构成无量的浪涌电流，可致使开关输入电源轨压降。其究竟会影响体系的全体功用。
对大容量输出电容充电时，浪涌电流会很大，需求对其进行操控和/或束缚。这种浪涌电流可由公式 5 核算得到：

例如，和 1µS 升压时刻的状况下，浪涌电流能够高达 3A。
避免呈现这种浪涌电流的一种简略办法是减慢开关的升压时刻。这么便可缓慢地对输出电容充电，并下降电流峰值。在公式 5 的实例中，200µS 的升压时刻会致使 15mA 的浪涌电流，这是能够承受的。
一些状况下，您或许想对一些超大容量电容（数百 µF）充电。通常主张挑选十分长的升压时刻，可是您也能够挑选一种具有高电流束缚的开关。器材将会在加电时进行电流束缚，一同电容将在电流束缚值下取得充电，其为电源开关的最大功耗才干。
体系互操作性
任何状况下，在挑选电源开关时，都需求细心肠思考体系互操作性疑问。例如，便携式运用中运用电源开关启用和封闭负载来优化功耗时，开关的操控输入有必要与通用、低电压（1.8-V）兼容，GPIO 至关首要。别的，当封闭开关时，请确保开关的起浮输出不影响体系功用。因而，一些用户或许会在封闭时运用一个额外晶体管将电源开关输出严密接地，或许运用一个集成这种下拉接地（如 TPS22902）的集成器材。
另一个首要的查亮点是计划安稳体系所运用的输入和输出电容。虽然通常不央求一个输入电容来安稳一些市售的电源开关，但在输入电源联接一个 0.1uF 到 1uF 的低一级效串联电阻 (ESR) 电容器时，却被认为是一种较好的仿照计划办法。该电容可应对电抗性输入源，并改进瞬态照顾、噪声及纹波按捺功用。依据开关的负载，您或许会思考在开关的输出端增加一些额外的储能电容。假定开关没有反向电流阻断，则剧烈主张运用大于输出电容的输入电容，不然输入将会经过 FET 主体二极管被钳位操控，然后使健旺的电流从输出端流到输入端。