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比把大象放冰箱复杂 电子系统中开关电源要分几步?

2022/11/29
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电路设计人员在电子系统中打开和关闭电源线路的选项,听起来是件小事,但要成功实施,却需要考虑诸多方面。

在有些电子系统中,需要断开电源线路的连接。例如,可能是切断电池电压,以保持电池电量,或者是断开负载与带电线路的连接。理想情况下,可以使用机械开关来实现这一目的。但是,如果需要通过电子信号进行开关,那么使用电子开关通常更加合适。这类电子开关可能采用MOSFET作为开关元件。除了采用MOSFET的纯分立式解决方案外,还可以使用多种半导体IC来轻松实现电子开关。

图1.使用N沟道MOSFET和独立驱动器电路LTC7003来开关电源线路

首先,必须决定开关元件是N沟道还是P沟道MOSFET。这两种可能都合适。但是,与P沟道MOSFET相比,N沟道MOSFET的电阻更低,所以在导通状态下损耗也更低。其劣势在于N沟道MOSFET的驱动方面。其中,栅极所需的电压高于可用的电源线路电压。因此,驱动IC中必须包含某种形式的电荷泵。P沟道MOSFET不需要这种类型的增压。但是,N沟通MOSFET的选择范围很广。

接下来,需要选择是将电源开关和驱动器集成在单个封装中,还是使用双芯片解决方案,即将驱动器电路放在一个单独的IC中,并将对应的MOSFET放在另一个封装中。已经针对驱动器电路优化的开关选择更加支持集成在同一个封装中。在这种情况下,开关一般都受到良好保护,在使用期间不会出现过载。这种全集成解决方案也存在劣势,包括市面上的相关产品较少,且成本更高。

第三步,必须确定单个MOSFET是否足以构成机械开关。MOSFET存在一个体二极管,因此,只能在一个方向上开关电流。如果应用要求完全断开线路,确保电流不能向任一方向流动,那么,需要一个两个MOSFET彼此反向串联的解决方案。图2显示了这种开关级配置。

图2.两个N沟道MOSFET背对背连接来阻断电路中两个方向电流的电路

最后,必须选择合适的集成电路,也就是用于MOSFET的驱动器,或是包含MOSFET和驱动器的封装。这个步骤听起来简单,实际上却相当繁琐。通常需要使用负载开关。但是,可选的范围并不大。在很多情况下,可以使用热插拔控制器、电子保险丝浪涌保护器、理想二极管和电源路径控制器,具体取决于应用和所需的额外监控功能。这些器件多数都包含开关引脚,可以在需要时切断电流。借助ADI的LTspice®仿真工具,可以确认该解决方案的精密行为是否满足规格要求。

图3.使用LTC4414低损耗PowerPath™控制器作为负载开关的LTspice仿真

根据具体的应用,断开电源电压可能会非常复杂。但是,可以使用一款带有开关控制引脚的特殊MOS驱动器IC来降低设计难度。

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

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