如何使用負(fù)載開關(guān)降低我們物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗

由于物聯(lián)網(wǎng)革命，我們看到越來越多的設(shè)備通過 Wi-Fi® 和藍牙® 連接到云。例如，當(dāng)我們的智能手機處于待機模式時，負(fù)載開關(guān)通常用于通過禁用無線電（和其他耗電子系統(tǒng)）來節(jié)省電量。這降低了設(shè)備的整體功耗，使電池的使用壽命更長。
負(fù)載開關(guān)如何工作？
將負(fù)載開關(guān)視為電子燈開關(guān)，用于打開和關(guān)閉負(fù)載?；矩?fù)載開關(guān)只有四個引腳：V IN、V OUT、ON 和 GND。圖 1 顯示了在更復(fù)雜的負(fù)載開關(guān)中發(fā)現(xiàn)的特性。）打開負(fù)載開關(guān)（通過將 ON 置為高電平）讓電流從 V IN流向 V OUT。當(dāng)我們關(guān)閉開關(guān)時，沒有電流從 V IN流向 V OUT，并且下游的所有東西也都被關(guān)閉。負(fù)載開關(guān)的待機功耗有效地替代了V OUT上負(fù)載的待機功耗。 

圖 1：通用負(fù)載開關(guān)框圖
我們真正節(jié)省了多少電量？
對于一個真實的例子，假設(shè)我們有一個 WiFi 或藍牙無線電，在睡眠模式下消耗大約 5μA。我將使用TPS22915 負(fù)載開關(guān)進行比較帶和不帶負(fù)載開關(guān)的節(jié)電。
TPS22914/15 是一款小型、低 RON、具有受控壓擺率的單通道負(fù)載開關(guān)。此器件包括一個 N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，可在 1.05 V 至 5.5 V 的輸入電壓范圍內(nèi)運行并可支持 2A 的最大持續(xù)電流。此開關(guān)由一個開關(guān)輸入控制，能夠直接連接低電壓控制信號。
小尺寸和低 RON 使得此器件非常適合于空間受限、電池供電類應(yīng)用。此開關(guān)的寬輸入電壓范圍使得它成為針對很多不同電壓軌的多用途解決方案。器件的受控上升時間大大減少了由大容量負(fù)載電容導(dǎo)致的涌入電流，從而減少或消除了電源消耗。通過集成一個在開關(guān)關(guān)閉時實現(xiàn)快速輸出放電 (QOD) 的 143Ω 下拉電阻器，TPS22915 進一步減少了總體解決方案尺寸。
集成單通道負(fù)載開關(guān)
輸入電壓范圍：1.05 V 至 5.5 V
低導(dǎo)通電阻 (RON)
RON = 37m?（VIN = 5V 時的典型值）
RON = 38m?（VIN = 3.3V 時的典型值）
RON = 43m?（VIN = 1.8V 時的典型值）
2A 最大持續(xù)開關(guān)電流
低靜態(tài)電流
7.7μA（VIN = 3.3 V 時的典型值）
低控制輸入閾值允許使用 1 V 或更高電壓的通用輸入輸出 (GPIO) 接口
受控轉(zhuǎn)換率
VIN = 3.3V 時，tR(TPS22914B/15B) = 64μs
VIN = 3.3V 時，tR(TPS22914C/15C) = 913μs
快速輸出放電（只適用于 TPS22915）
超小型晶圓級芯片尺寸封裝
0.78mm × 0.78mm，0.4mm 間距， 0.5mm 高度 (YFP)
根據(jù) JESD 22 測試得出的靜電放電 (ESD) 性能
2kV 人體放電模式 (HBM) 和 1kV 器件充電模型 (CDM)

如前所述，如果沒有負(fù)載開關(guān)，當(dāng)無線電處于待機或睡眠模式時，我們的功耗將約為 5μA。在TPS22915 的數(shù)據(jù)表中，典型的 I SD（關(guān)斷電流）為 0.5μA（不要與 I Q或 7.7μA 的靜態(tài)電流額定值混淆，后者是負(fù)載開關(guān)的有功功耗）。添加TPS22915（圖 2），功耗降低 10 倍！

圖 2：使用和不使用負(fù)載開關(guān)的待機功耗比較
現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們的 Wi-Fi 芯片的性能稍低，在待機或睡眠模式下消耗接近 250μA。現(xiàn)在添加TPS22915功耗降低 500 倍！通過節(jié)省電力，我們可以通過使用更小的電池來縮小終端設(shè)備，或者讓它們在兩次充電之間持續(xù)更長時間。 
哪種負(fù)載開關(guān)適合我們？
選擇負(fù)載開關(guān)時，確保它具有適合我們應(yīng)用的正確額定值非常重要。密切關(guān)注最大電壓、最大電流和導(dǎo)通電阻（R ON）。在確認(rèn)負(fù)載開關(guān)的額定電壓和電流正確后，決定多少功率損耗（V=IR 壓降）是可以接受的。TI 提供多種負(fù)載開關(guān)可供選擇；該系列中的最新產(chǎn)品是TPS22915。TPS22915的典型 R ON為 38mΩ。對于 1.5A 負(fù)載，負(fù)載開關(guān)兩端的電壓降為 57mV (V=1.5A * 38mΩ)。將 3.3V、1.5A 施加到 V IN，V OUT將為 ~3.24V。
隨著負(fù)載電流的增加，負(fù)載開關(guān)的 R ON變得越來越重要，因為電壓降與電流成比例。這就是為什么TPS22915在 3.3V 時的 R ON比類似負(fù)載開關(guān)低 31% 很重要的原因。如果沒有TPS22915，V OUT將為 ~3.21V 而不是 3.24V。圖 3 比較了 V IN上的R ON。

圖 3：領(lǐng)先的 5.5V WCSP-4 負(fù)載開關(guān)在 V IN上的R ON比較