高端 FET 負(fù)載開關(guān)入門第 2 部分

柵極控制

柵極控制塊或電平轉(zhuǎn)換塊控制 MOSFET 的 V?G?以將其打開或關(guān)閉。門控的輸出直接由它從輸入邏輯塊接收的輸入 決定。

在導(dǎo)通期間，柵極控制的主要任務(wù)是對 EN 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生高(N 溝道)或低(P 溝道)V G 以使開關(guān)完全導(dǎo)通。類似地，在關(guān)斷期間，柵極控制產(chǎn)生低(N 溝道)或高(P 溝道)V G 以將開關(guān)完全關(guān)斷。

許多高側(cè)負(fù)載開關(guān)在柵極控制模塊中集成了“轉(zhuǎn)換速率控制”或“軟啟動”功能。 當(dāng)開關(guān)打開時，轉(zhuǎn)換速率控制功能會限制 V G的斜升速度。結(jié)果，ID 逐漸增加。其目的是保護(hù)負(fù)載免受過大的“浪涌電流”的影響，這可能會導(dǎo)致閂鎖等故障情況。

負(fù)載有時不僅是電阻性的，而且是高容性的。因此，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，容性負(fù)載中積累的電荷并沒有快速放電，可能導(dǎo)致負(fù)載關(guān)斷不完全。為了克服這個問題，一些高邊負(fù)載開關(guān)包含“主動負(fù)載放電”功能，其目的是在開關(guān)關(guān)閉時提供電流路徑以快速對容性負(fù)載放電。這通常由小型低側(cè) FET 完成。圖 4 說明了這種方法，其中一個底部 N 溝道 FET，其柵極連接到柵極控制核心，其漏極連接到負(fù)載，當(dāng)主開關(guān)、頂部 P 溝道、關(guān)閉。

圖 4：MIC94060/1/2/3 P 通道高側(cè)負(fù)載開關(guān)的框圖。

輸入邏輯

輸入邏輯模塊的唯一功能是解釋 EN 并將正確的邏輯電平傳遞給門控模塊，以便門控可以相對于輸入邏輯電平打開和關(guān)閉傳遞元件. 輸入邏輯塊的實現(xiàn)可以像下拉電阻一樣簡單。

在某些情況下，EN 和柵極控制塊之間需要一個緩沖器。原因是 EN 可能無法為柵極控制提供足夠的驅(qū)動電流來驅(qū)動 V G，在這種情況下，緩沖器充當(dāng)了額外驅(qū)動電流的來源。

應(yīng)用概要

對于在設(shè)計中使用高邊負(fù)載開關(guān)的工程師來說，總有一些參數(shù)比其他參數(shù)更重要。

第一個關(guān)鍵參數(shù)是 I D。這是在設(shè)計周期開始時選擇的系統(tǒng)級參數(shù)。高邊負(fù)載開關(guān)的 I D 由 MOSFET(N 溝道或 P 溝道)的物理特性、MOSFET 的尺寸、鍵合線的物理特性(長度和厚度)等因素決定，和封裝的熱容量。通常，高 I D 開關(guān)為 N 通道并采用耐熱增強(qiáng)型封裝，而低 I D 開關(guān)為 P 通道類型并采用小尺寸封裝。

下一個關(guān)鍵參數(shù)是 R DSON。 選擇ID時，R DSON越低越好 。這是因為較低的 R DSON 將提高整體效率，減少V IN和負(fù)載之間的電壓降 ，并減輕開關(guān)的熱應(yīng)力。

確定 I D 和 R DSON 后，設(shè)計人員通常會查看開關(guān)的四個關(guān)鍵參數(shù)：動態(tài)響應(yīng)、關(guān)斷電源電流、關(guān)斷漏電流和封裝尺寸。

對于高端負(fù)載開關(guān)，動態(tài)響應(yīng) 是指負(fù)載電壓從 GND 上升到滿 V OUT (= V IN ” R DSON * I D ) 或從滿 V OUT下降到 GND 所用的時間，相對于 EN 上的邏輯電平變化。

當(dāng) EN 被斷言時，在門控制和輸入邏輯模塊引入的傳播延遲或?qū)ㄑ舆t時間 (t ON_DLY ) 之后，V G 然后轉(zhuǎn)移到高電平(或低)足以打開開關(guān)。此時，負(fù)載上的輸出電壓( N溝道為V S ，P溝道為V D )開始上升，達(dá)到滿V OUT 的時間稱為導(dǎo)通上升時間(t ON_RISE )。根據(jù)系統(tǒng)要求，t ON_DLY 和 t ON_RISE 對于需要快速響應(yīng)的應(yīng)用，需要較短，對于需要軟啟動以限制浪涌電流的應(yīng)用，需要相對較長。

類似地，當(dāng) EN 被取消斷言時，在傳播延遲或關(guān)斷延遲時間 (t OFF_DLY ) 之后，V G 轉(zhuǎn)移到足以關(guān)斷開關(guān)的低(或高)電平。現(xiàn)在，負(fù)載上的輸出電壓從完整的 V OUT開始下降，它下降到 GND 所需的時間稱為關(guān)斷下降時間 (t OFF_FALL )。通常需要將 t OFF_DLY 和 t OFF_FALL 短，以便快速關(guān)閉負(fù)載。如果負(fù)載具有主要容性元件，則有源負(fù)載放電功能有助于降低 t OFF_FALL。

關(guān)斷電源電流 和關(guān)斷漏電流 也是需要考慮的重要因素，特別是在設(shè)計需要較長電池運(yùn)行時間的電池供電設(shè)備時 。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，內(nèi)部電路會消耗關(guān)斷電源電流。關(guān)斷漏電流是開關(guān)關(guān)斷時 MOSFET 傳遞到輸出端的電流。關(guān)斷電源和漏電流越低，整體系統(tǒng)效率就越高。對于電池供電的應(yīng)用，這會導(dǎo)致更長的電池運(yùn)行時間。

至于封裝尺寸 (占地面積和外形)，在大多數(shù)應(yīng)用中都很清楚：封裝越小越好。對于在空間非常寶貴的電池供電手持設(shè)備等低電流系統(tǒng)中使用的 P 溝道開關(guān)來說尤其如此。