比把大象放冰箱复杂 电子系统中开关电源要分几步？

作者：ADI现场应用工程师Frederik Dostal

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。

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。