电源开关器件讲解(1)

引言：电源开关提供从电源或地到负载的电气连接，通过多个电源轨降低功率损耗，并保护子系统免受损坏。它还提供了增强的器件保护，浪涌电流保护，最小化占据PCB的面积。本节主要简述展示电源开关组合中的不同拓扑，并提供选择正确保护方案的建议。

1.器件总览

有几种具有不同功能的电源开关拓扑，可以应对不同的应用场景。负载开关通过提供安全可靠的电源分配，建立电源开关的基础。通常使用负载开关的应用包括配电、电源排序、浪涌电流控制和减少泄漏电流。集成电源复用器件类似于负载开关，但允许多个输入源，其内部电子开关用于选择在两个或多个输入电源路径之间转换到单个输出，同时也提供输入电源保护。

电子保险丝eFuse和热插拔控制器提供额外的输入电源路径保护功能，如电流监测、限流、欠压和过压保护，以及过热关断。这使得这些器件非常适合用于热插拔和瞬态场景，避免损坏系统器件，这些保护器件有助于降低系统维护成本，并使系统的正常运行时间最大化，如图2-1是几类器件的功能概览，实际功能由所选的具体器件型号决定。

图2-1：各类器件基本性能一览

2.使用路径

如图2-2所示是几类保护器件的使用场景和环节所在。

图2-2：典型的电源开关用例场景

3.负载开关

图2-3是集成FET负载开关，用来打开和关闭电源轨道的电子开关，当内部场效应晶体管打开时，电流从输入流到输出，并将电源传递后级电路。当器件启用时，可以通过调节外部CT引脚上的电容来控制输出电压Vout的上升时间。当器件被禁用时，通过快速输出放电QOD（quick output discharge）来控制Vout的下降时间。当器件关闭时，QOD将输出拉到GND，防止输出浮动或进入未确定状态。

图2-3：负载开关简图

负载开关的一些常见功能包括省电模式、电源排序和浪涌电流控制。在寻求最小化电流损耗和最大化功率效率的应用要求中，节能非常重要，通过断开供应负载或子系统的电源，最小化非工作状态（休眠/待机）负载产生的功率。在需要按特定的顺序打开和关闭个别电压轨的应用中，通过配置CT和QOD引脚，可以调整上升和断电时间。浪涌电流控制功能保护负载附近包含大型电容器的系统，当开始对系统上电时，给这些电容器充电可能会导致超过标称负载电流的较大的涌入电流。如果不处理，这可能导致电压轨由于跌落而不满足设定输出，导致系统宕机。负载开关可以通过CT引脚调节电源轨的上升时间来减轻浪涌电流，从而不需要电压下降或外部调节器就可以实现线性斜率输出。

特性功能：可调上升时间，可调QOD，占据PCB面积小，具有可控上升时间的自我保护功能，最低的导通电阻，PGOOD指示，快速开启时间（≤65us），过热关断。

4.电源多路复用

图2-4是集成FET电源复用器件，它允许系统在不同的电源之间无缝转换，如果主电源出现故障，电源多路复用允许系统切换到备用电源，比如电池，以维持系统继续运行。电源复用还可以为在两个不同电压下运行的子系统提供两个不同电压电平之间的切换。在这种情况下，为了防止反向电流从Vout流入Vin通道，反向电流保护（RCP）功能阻止电流回流流过体二极管。电源多路复用也包含可调的电流限制，如果电流超过了开关设定的阈值，该开关就会给输出通道限流，防止电流超过限制。此外如果电流限制使器件达到较高的温度，热关闭激活关闭开关，直到它能够在安全的条件下再次运行。与负载开关类似，电源MUX开关也包含浪涌电流控制，以防止大的瞬态电流事件。

图2-4：电源MUX简图

电源MUX器件一般可以通过三种方式在不同的电源轨之间切换：手动、自动或两者兼有。使用外部GPIO进行手动切换，当想在电源轨道之间切换时，切换启用引脚，输出由另一个电源轨供电。当主电源发生故障或被断开时，就会发生自动切换。当器件检测到电压降时，它会自动切换到备用电源轨。有一些电源MUX解决方案，它们提供较大的灵活性，可用于自动配置，并由手动控制信号进行控制，此方法可以具有默认（自动）优先级，但如果需要，也可以被外部MCU优先控制。

特性功能：自动优先级或手动切换，可调电流限制，快速输出切换。

5.eFuse

图2-5电子保险丝是集成FET的电源保护开关，在故障事件时提供电压和电流保护，这些事件包括短路、过流、过载、过压、欠压和过温。在类似短路的瞬态事件中，通过eFuse的电流增加得非常快，设定电流阈值后，eFuse能够实现快速跳闸，在不到200ns的时间内关断电流，避免电源和负载受到短路损坏。如果在输入Vin上发生过电压事件，eFuse会监测内部FET的电压，然后钳位输出电压，直到输入低于过电压阈值。eFuse还具有内置超温保护，如果结温超过150°C（典型），可关闭FET。在温度下降后，eFuse要么保持关闭（锁存关闭）或尝试重新启动（自动恢复），eFuse提供了许多类似负载开关的附加功能，包括可调浪涌电流控制和反向电流保护。

图2-5：eFuse简图

另外需要注意从主干电源到辅助电源（例如大容量电容）的电流，此项可视为是有一个较大的容性负载，当设备插入或从带电电源中取出时，在给电容的初始充电过程中可能会出现非常大的电流尖峰，eFuse或热插拔控制器可确保设备安全插入和退出。与热插拔控制器不同，eFuse包含一个集成FET，尺寸较小，这使得eFuse可以用于诸如电源多路复用之类的应用中。通过使用两个eFuse，每个eFuse可以控制电源轨，同时为其各自的电源提供反向电流保护。

特性功能：过压和欠压钳位，使用FLT引脚实现QOD，可调电流限制，最低的导通电阻，精确的负载监测，可调的瞬态故障管理，背靠背FET，状态监测，过热关断，内部反向电流阻断，反向极性保护，功率限制、过压切断或电压钳位。