盡管我們盡最大努力通過使用保護殼或采用堅固的設計技術(shù)來保護我們的便攜式設備免受物理傷害，但還可以應用另一層保護。在便攜式電子設備本身中，負載開關(guān)可用于防止電涌、不正確的電池插入以及可能通過電源進入的其他損壞事件造成的損壞。許多系統(tǒng)（例如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、數(shù)碼相機、便攜式醫(yī)療設備、工業(yè)設備和其他功率敏感產(chǎn)品）已經(jīng)使用負載開關(guān)來提供針對電壓和電流浪涌的強大保護。然而，設計人員可以使用多種變體和選項，為應用程序選擇最佳匹配可能是一項挑戰(zhàn)。
    負載開關(guān)基礎知識    在選擇負載開關(guān)之前，我們先了解一下負載開關(guān)功能和性能的一些基礎知識。基本上，高側(cè)負載開關(guān)將電源與負載連接或斷開，并且該開關(guān)由外部使能信號（模擬或數(shù)字）控制。高側(cè)開關(guān)向負載提供電流，而低側(cè)開關(guān)將負載與地連接或斷開，從而從負載吸收電流。只要電源打開，負載開關(guān)電路就會處于活動狀態(tài)，因此被設計為具有低泄漏電流。此外，它們還必須具有低導通電阻，以在監(jiān)測系統(tǒng)電流或電壓時最大限度地降低功耗。

    任何負載開關(guān)的核心都是 MOSFET（通常是增強型器件），它要么集成到負載開關(guān)集成電路中，要么為了滿足更高的功率處理要求，可以是分立器件。MOSFET 將電流從電源傳遞到負載，并通過控制信號打開或關(guān)閉。柵極驅(qū)動電路向 MOSFET 提供控制信號，連接到 MOSFET 的柵極以打開或關(guān)閉 MOSFET。根據(jù)應用的不同，柵極驅(qū)動電路可以由各種輸入電壓控制。它可以接收低壓或高壓數(shù)字信號，并將電壓更改為設備的固有電壓通信電平。該功能也稱為電平轉(zhuǎn)換電路，因為它必須產(chǎn)生足夠高的電壓以完全導通 MOSFET。
    因此，簡單的負載開關(guān)通常由 MOSFET 傳輸晶體管和柵極驅(qū)動電路組成，其中柵極驅(qū)動電路包含柵極驅(qū)動晶體管和一些無源組件（圖 1）。這樣的電路可以使用分立元件構(gòu)建或以IC形式集成。N溝道MOSFET具有比P溝道器件更低的導通電阻值，但是為了獲得更低的電阻值，需要電荷泵電路來增加施加到MOSFET柵極的驅(qū)動電壓。
    大多數(shù)集成解決方案都包含更多功能，提供多種協(xié)同工作的功能來保護系統(tǒng)。典型的負載開關(guān)可能包含提供反向電壓保護、反向電流保護、短路保護、輸出負載放電、過壓/過流保護、過溫保護的電路塊以及協(xié)調(diào)各個塊的一些控制邏輯（圖 2）。這些交換機不僅可以保護系統(tǒng)，還可以通過提供簡單高效的配電來幫助降低功耗。
    高側(cè)負載開關(guān)保護便攜式電子系統(tǒng)    簡單的負載開關(guān)通常由 MOSFET 傳輸晶體管組成，該晶體管由柵極驅(qū)動器電路控制，該電路將輸入控制信號電平轉(zhuǎn)換為完全導通 MOSFET 的值，從而將器件的導通電阻降低到盡可能低的水平。（左側(cè)為n溝道MOSFET電路，右側(cè)為p溝道MOSFET電路）。

    

    高側(cè)負載開關(guān)保護便攜式電子系統(tǒng)

    高度集成版本的負載開關(guān)通常會提供多種保護功能——反向電壓或反向電流保護、過壓/過流保護、過溫保護以及集成 MOSFET 和柵極驅(qū)動器電路。
    負載開關(guān)的幾個關(guān)鍵參數(shù)是連接電壓輸入和電壓輸出引腳之間的 MOSFET 的導通電阻、晶體管可以處理的電流以及電路可以處理的電壓。導通電阻越低，晶體管的功耗越低，輸入到輸出的壓降也越低。當今的集成 MOSFET 通常具有數(shù)十毫歐的導通電阻值，因此，例如，如果負載開關(guān)的導通電阻為 50 毫歐并控制 200 mA 負載，則 MOSFET 在導通時僅耗散 2 mW，并且具有輸入- 輸出電壓降為 10 mV。即使 1 A 的峰值電流也只會導致 50 mV 的壓降和 50 mW 的峰值功耗。
    負載開關(guān)選項
    負載開關(guān)的許多可能的應用使負載開關(guān)制造商能夠提供多種負載開關(guān)配置?；矩撦d開關(guān)（例如 NXP 的 NX3P190）（圖 3）類似于圖 1 右側(cè)的電路 – 它具有由電平轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換速率控制電路控制的 P 溝道 MOSFET。

 

   NXP 的簡單高側(cè)負載開關(guān)電路 NX3P190 集成了 P 溝道 MOSFET 以及電平轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換速率控制電路。

    MOSFET 在 1.8V 電源電壓下可支持超過 500mA 的連續(xù)電流，導通電阻為 95mΩ。不過，電壓輸入可處理 1.1 至 3.6V 的電壓。啟用輸入上的邏輯包括邏輯電平轉(zhuǎn)換，以便開關(guān)可以由低壓微控制器和其他在降低電壓下運行的電路控制。它針對電源域隔離應用，由于接地泄漏電流僅為 2 微安，因此有助于降低功耗并延長系統(tǒng)的電池壽命。該芯片的變體 NX3P191 集成了一個輸出放電電阻，可以在開關(guān)關(guān)閉時對輸出電容進行放電。這可以防止不需要的電壓到達負載。
    NXP 的另一款電路 NX3P1107 在功能上非常相似，但該公司將 MOSFET 的導通電阻降低了 2/3，僅為 34 毫歐，從而使該芯片能夠處理高達 1.5 A 的連續(xù)電流。較高的額定電流使該芯片能夠應對較重的負載應用，例如電池充電、數(shù)碼相機、智能手機和許多其他應用。對于不需要大電流但需要輸出放電能力的應用，該芯片的另一個版本 NX3P2902B 可以處理 500 mA 的連續(xù)電流，并且具有 95 毫歐的典型導通電阻。
    針對更復雜的系統(tǒng)應用，例如 USB 移動 (OTG) 電源管理，NX5P1000（本例中為 N 通道器件）包括欠壓保護、過壓鎖定、過流、過溫、反向偏置和浪涌電流保護電路（圖 4）。這些電路設計用于在發(fā)生故障時自動將 VBUS OTG 電壓源與 VBUS 接口引腳隔離。

    

    NX5P1000 專為支持 USB on-the-go 接口而設計，集成了 N 溝道 MOSFET，并包括電壓、電流和溫度保護功能以及 USB 數(shù)據(jù)、ID 和 VBUS 線路上的靜電保護。

    該芯片可處理 1 A 的連續(xù)電流，在 4.0 V 電源電壓下，導通電阻最大值為 100 毫歐。電源輸入引腳可處理 3 至 5.5 V 的電平，但 VBUS 輸入可耐受高達 30 V 的電壓。在典型應用中，USB OTG 電壓源和控制電路連接到芯片的電壓和控制輸入，芯片提供干凈的 USB 電源和數(shù)據(jù)輸出。NX5P2090 是該芯片功率稍高的版本，可以處理 2A 的連續(xù)電流。
    根據(jù)您的應用所需的負載電流以及所需的保護級別，您可以選擇多種設計選項，以獲得最適合您的應用的方案。本文討論的設備代表了兩個極端——最簡單的集成選項和最復雜的集成解決方案之一。當然，恩智浦和其他供應商提供了許多介于兩者之間的解決方案。