高端 FET 負載開關(guān)入門第 1 部分

高端負載開關(guān)及其操作仍然是許多工程師和設計師的熱門選擇，適用于電池供電的便攜式設備，例如功能豐富的手機、移動GPS設備和消費娛樂小工具。本文采用一種易于理解且非數(shù)學的方法來解釋基于 MOSFET 的高側(cè)負載開關(guān)的各個方面，并討論在整個設計和選擇過程中必須考慮的各種參數(shù)。

什么是高端

負載開關(guān) 的定義 是它由外部使能信號控制，并將電源(電池或適配器)連接或斷開到給定負載。與低側(cè) 負載開關(guān)相比，高側(cè)開關(guān)為負載提供電流，而低側(cè)開關(guān)將負載連接或斷開接地，因此從負載吸收 電流。

高端負載開關(guān)不同于高端電源 開關(guān)。高端電源開關(guān)管理輸出功率 ，因此通常會限制其輸出電流。相反，高側(cè)負載開關(guān)將輸入 電壓和電流傳遞給負載，因此它不包含限流功能。

高邊負載開關(guān)由以下三個元件組成：

1. 傳輸元件，本質(zhì)上是一個晶體管，通常是增強型 MOSFET。傳輸元件在線性區(qū)域中工作，以將電流從電源傳輸?shù)截撦d，就像開關(guān)一樣(與放大器相反)。

2. 柵極控制塊，它為傳輸元件的 柵極提供電壓以將其打開或關(guān)閉。它也稱為電平移位 模塊，指的是外部使能信號經(jīng)過電平移位以產(chǎn)生足夠高或足夠低的柵極電壓(偏置)以完全打開和關(guān)閉傳輸元件。

3. 輸入邏輯塊，其主要功能是解釋使能信號并觸發(fā)門控塊，以打開和關(guān)閉通路元件。

通路元件

通路元件是高邊開關(guān)最基本的部分。最常查看的參數(shù)，尤其是開關(guān)導通時的電阻 (R DSON )，與通路元件的結(jié)構(gòu)和特性直接相關(guān)。

由于增強型 MOSFET 通常在工作期間消耗更少的電流，在停機期間泄漏更少的電流，并且提供比雙極晶體管更高的熱穩(wěn)定性，因此它更廣泛地用作高側(cè)負載開關(guān)中的傳輸元件。因此，本文將專門關(guān)注基于增強型 MOSFET 的傳輸元件。

增強型 MOSFET 傳輸元件可以是N 溝道或P 溝道 FET。

當 N 溝道 FET 的柵極電壓 (V G )比 其源極電壓 (V S ) 和漏極電壓 (V D ) 高出閾值 (V T ) 時，N 溝道 FET 完全開啟或處于其線性區(qū)域。以下公式給出了 ON 條件的數(shù)學表示：

V G – V S = V GS > V T

V G – V T > V D或 V GS – V T > V DS

其中 V G 是柵極電壓;V S 為源極電壓;V D 為漏極電壓;V T 是 FET 的閾值電壓;V GS 是從柵極到源極的電壓降;V DS 是從漏極到源極的電壓降。(所有符號代表正數(shù)。)

當 N 溝道 FET 導通時，漏極電流 I D為“正”并從漏極流向源極，見圖 1 和圖 2。

圖1：具有內(nèi)部電荷泵的 N 溝道 FET 高側(cè)負載開關(guān)。

圖 2：具有外部 V BIAS 輸入的 N 溝道 FET 高側(cè)負載開關(guān)。

當其柵極電壓 (V G )低于 其源極電壓 (V S ) 和漏極電壓 (V D ) 閾值 (V T ) 時，P 溝道 FET 完全開啟或處于其線性區(qū)域：

V S – V G = V SG > V T

V D – V T > V G或 V SG – V T > V SD

其中V G 是柵極電壓;V S 為源極電壓;V D 為漏極電壓;V T 是 FET 的閾值電壓;V SG 是從源極到柵極的電壓降;V SD 是源極到漏極的電壓降。(同樣，所有符號都代表正數(shù)。)

當 P 溝道 FET 導通時，漏極電流 I D為“負”并從源極流向漏極，圖 3。

圖 3：P 溝道 FET 高側(cè)負載開關(guān)。

N 溝道 FET 使用電子作為多數(shù)載流子，其遷移率高 于 P 溝道 FET 中的多數(shù)載流子空穴。這意味著，在物理尺寸相同的情況下，N 溝道 FET 具有比 P 溝道 FET 更高的跨導，這意味著在導通狀態(tài)或 R DSON期間漏源電阻更低。

通常，N 溝道 FET 的 R DSON 比類似尺寸的 P 溝道 FET 低 2 到 3 倍，因此 I D高出 相似的因子(不考慮其他約束，例如鍵合線厚度和包裝)。這也意味著，對于相同的 R DSON 和 I D，N 溝道 FET 通常需要更少的硅，因此具有比 P 溝道 FET 更低的柵極電容和閾值電壓。

此外，由于 N 溝道 FET的 V D 在開關(guān)導通時保持低于 V G 一個因數(shù) V T ，并且 V D 通常與 V IN相連，因此非常低的 V IN 傳遞給負載。從理論上講，N 溝道 FET 開關(guān)的 V IN 可以低至接近接地 (GND)，最高可達 V G – V T。另一方面，P 溝道 FET 開關(guān)將始終高于 V G + V T的 V IN (與 V S相連)傳遞 給負載。

然而，這并不是說在任何情況下 N 溝道 FET 都比 P 溝道 FET 作為傳輸元件更好。

如前所述，N 溝道 FET 的一個基本特性是，要使開關(guān)在導通時工作在線性區(qū)域，V G 需要比 V D高 一個 V T值。然而，由于 V D 幾乎總是連接到 V IN，這通常是開關(guān)看到的最高電壓，因此 V G 必須從現(xiàn)有電壓(例如外部使能信號(EN )，或被直流偏移“偏置”，這是一個單獨的新高壓軌，通常稱為 V BIAS。

如果柵極電壓從 EN 電平上移，則需要一個額外的內(nèi)部電路，通常是一個電荷泵。電荷泵需要一個內(nèi)部振蕩器，以及芯片上至少一個“飛行”電容器來產(chǎn)生柵極電壓，通常是導通期間 EN 值的倍數(shù)。當然，這增加了設計復雜性和硅，這抵消了 N 溝道 FET 較低 R DSON 特性所獲得的硅減少。實際上，當負載電流相對較低(高達幾安培)時，電荷泵增加的硅面積比 R DSON 因子減少的要多，這使得 N 溝道開關(guān)成為成本更高、設計復雜度更高的解決方案。 P 通道替代方案，請參見圖 1 了解更多詳細信息。

如果柵極電壓被直流偏移 V BIAS 偏置，那么硅面積的增加并不大，因為不再需要電荷泵。但是，從系統(tǒng)角度來看，這可能不是最佳解決方案，因為它可能沒有超高壓軌，大多數(shù)電池供電的設備和設備都是這種情況，參見圖 2。

然而，在 P 溝道 FET 的情況下，V G 始終低于 V S (與 V IN相關(guān)聯(lián))。只要 在開關(guān)導通時V S 保持 在 V G附近的 V T值，它就始終工作在線性區(qū)域，不需要特殊的內(nèi)部電路或外部電壓軌。這是通過使用門控制塊將EN“電平轉(zhuǎn)換”到正確的V G 電平來實現(xiàn)的。此選項不需要太多的電路實現(xiàn)或額外的硅面積，圖 3。

通常，在需要極低 R DSON的大功率系統(tǒng)或 需要將接近 GND 的 V IN傳遞到負載的低輸入電壓系統(tǒng)中 ，N 溝道高側(cè)負載開關(guān)是一個不錯的選擇。另一方面，P 溝道高側(cè)負載開關(guān)在要求設計簡單性的低功率系統(tǒng)或 需要將高 V IN傳遞到負載的高輸入電壓系統(tǒng)中具有優(yōu)勢。有關(guān)典型 N 溝道和 P 溝道基于 FET 的開關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)的匯總，請參見表 1 。

表 1：基于 N 溝道 FET 和 P 溝道 FET 的開關(guān)的比較。