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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 来源:EEWORLD

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。

 

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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。

 

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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。

 

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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。


关于ADI公司


Analog Devices, Inc.(NASDAQ: ADI)在现代数字经济的中心发挥重要作用,凭借其种类丰富的模拟与混合信号、电源管理、RF、数字与传感技术,将现实世界的现象转化成有行动意义的洞察。ADI服务于全球12.5万家客户,在工业、通信、汽车与消费市场提供超过7.5万种产品。ADI公司总部位于马萨诸塞州威明顿市。


关于作者


Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业。他于2001年开始工作,涉足电源管理业务,曾担任各种应用工程师职位,并在亚利桑那州凤凰城工作了4年,负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司担任电源管理现场应用工程师。


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