一种双向大电流负载开关芯片的设计.docx
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一种双向大电流负载开关芯片的设计
摘要
近年来，随着很多新型便携式电子产品的相继问世，如可穿戴式电子产品、5G智能手机、平板电脑以及可生物植入和生物注射的天线等。
新型电子产品具有体积小，方便携带，自带蓄电功能，对电源的性能要求更高。
在日常使用中为了节省电能，除了应用高效率的电源管理芯片外，还需要多个负载开关，并由微处理器进行控制组成负载管理，在不同的工作状态时，给有用的负载供电，将不用的负载统统关断。
负载开关IC是一种电源IC，具有体积小、低电压工作、低导通电阻和低静态电流等特点，与传统分立式电源结构相比，使用负载开关有助于显著缩小电源IC的尺寸和节能，并且对负载可以起到很好的保护作用，因此深受电源IC设计师们的喜爱。
论文在研究了负载开关IC发展现状基础上，针对耐高压、大电流的产品应用，设计了一款双向大电流的负载开关芯片；该款负载开关IC具有3V到20V的宽输入电压工作范围，提供最大5A的持续负载电流；此外，该芯片还可提供输入过压保护、过温保护、欠压锁定以及输出电压的反向阻断功能，同时还可支持USB充电和OTG的自主切换。
该芯片主要用于智能手机、手持设备、平板电脑和其它便携式设备中。
本文首先系统地研究了负载开关的基本原理与结构，为双向大电流负载开关IC的设计提供理论指导，然后结合传统负载开关输出电流较小，不具备OTG功能等特点，提出了双向大电流负载开关芯片的实现方法与整体结构框图，然后对相应子模块电路进行具体设计，并使用Cadence工具下的Spectre软件搭建电路，采用0.18µmBCD工艺完成相关子模块电路的仿真分析工作，最后对芯片整体电路进行了功能验证。
关键词：
负载开关；浪涌保护；过压保护电路；反向电流阻断；过温保护
第1章绪论
本章主要介绍了负载开关的研究背景及意义，对负载开关的应用状况作了简单介绍，然后对国内外负载开关研究现状作了简要分析，最后结合本论文完成的主要工作，对论文的主要工作内容和章节安排进行介绍。
1.1负载开关的研究背景及意义
近些年，随着可穿戴电子设备、5G手机以及人工智能等新一代智能化电子产品的快速问世，使得电源需求逐渐趋向于高度复杂和多功能化发展,电子产品对轻小型便携式电池提供电能设备的高效需求也逐步上升,相应的负载开关受欢迎程度也随之急剧上升,因为它使设计人员即使是在最小的设备中也能实现高能效、高精密的电源管理方案[1-3]。
从负载开关基本电路组成角度出发，可以知道负载开关最突出的优势为结构简单，劣势是缺少相应的过热保护、输出短路等保护功能，一旦出现负载端路，或是相应的负载开关受到损坏，则会导致整个装置以及系统失稳不能正常运行。
最近几年，电源设计人员相继开发出多款集成式负载开关，使得性能不仅增强、还稳固了负载开关的工作可靠性[4-6]。
集成负载开关是可用于开启和关闭系统中电源轨的电子继电器[7]。
负载开关为系统带来许多优势，并且集成通常难以用分立元件实现的保护功能[8]。
负载开关可用于多种不同的应用[9-11]，例如①在安全保护方面：
引入了相应的热关断电路。
一旦出现局部短路的状况，负载开关内部的管芯温度便会超出过热阈值（如125℃），相应的热关断电路便会启动工作切断负载开关。
此时，不仅能够避免负载烧毁，还能确保其他电路正常进行供电。
当过热故障产生时，负载开关还会反馈出相应的故障信号（给微处理器）告警故障发生。
此外还具备一定的输入欠压锁存保护功效。
②过流保护：
引入额外的限流电路到负载开关当中。
具备限流输出形式的负载开关，一方面可以有效提升可靠性，另一方面还能确保系统安全运行，除此之外，还可应用到功率分配开关、热插拔插座以及USB端口当中。
有些负载开关在发生过流的同时还具备输出锁存功能，这种情况可认为其充当“电子保险丝”的功效，一旦完成过流故障排查后，只需重启即可恢复运行。
③浪涌电流控制：
在没有任何转换率控制的情况下开启子系统时，可能会由于负载电容快速充电产生浪涌电流而导致输入轨下陷。
由于此输入轨可能正在为其它子系统供电，因此这便会引发系统失效等问题。
负载开关可以通过控制输出电压的上升时间来消除输入轨的下陷。
此外，在一些应用中，可将一些暂时不用的电路关闭（如DC/DC转换器、LDO等模块）并将其置于待机模式，但即使处于关断状态，这些模块的漏电流也相对较高。
此时，在负载前面放置一个负载开关可显著减小漏电流[12]。
因此，在电源管理及负载保护产品中对负载开关的研究具有非常重要的意义[13]。
负载开关的主要功能是连接或断开电源和负载，提供相对较为简便的开关控制以及保护功能。
除此之外，负载开关的导通速率还可基于输出电压进行控制，通过控制场效应晶体管（FET）栅极的充电，在输出电压的上升时间控制浪涌电流，以此对输入电压形成浪涌保护[14]。
近年来，电源需求正逐渐向高度复杂，高度集成化的趋势发展，对轻小型便携式电池提供电能设备的高效需求也逐步上升,同时负载开关受欢迎程度也急剧上升[15]。
因此，本文以对适用于新型便携式电子设备的电源管理和负载保护产品为主要研究背景，从过压保护、浪涌保护及反向电压阻断功能等方面展开，设计一款针对大电流产品应用的负载开关，从功能需求及产品定义的角度出发，完成了芯片的系统设计、子模块电路设计以及仿真验证工作。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
当前，国外存在许多半导体厂商进行多功能负载开关的开发与研制，例如TI、ONsemiconductor（安森美）、FairchildSemiconducto（仙童半导体）、DiodesIncorporated、MaximIntegrated（美信）、NXP（恩智浦），像日本的半导体公司TOSHIBA以及全球领先的半导体公司Infineon（英飞凌）等，都存在负载开关类产品的研发与销售。
这里简单的介绍一些半导体公司的代表性负载开关产品。
像NCP（安森美）的开关电池充电器NCP185x系列，充电电压范围3.3V-4.5V，可支持反向USBOTG和快充模式，在内部集成过压闭锁和过压保护等功能；为大电流系统和负载提供全面保护的输入电压范围为1.8V到5.5VFPF2000-FPF2007系列负载开关产品；以及为需要1.8V至8V输入和2.5A输出电流能力的便携式电子设备提供紧凑型功率管理研发的集成式FDC632xx系列负载开关。
TI公司的具有快速输出放电和导通引脚滞后功能的3.6V，1A，63mΩTPS22934-型负载开关[16]；具有反向电流保护的超小型3ATPS22930A-型负载开关；具有可调上升时间和快速输出放电（QOD）功能的5.5V、6A、14mΩTPS22976-型双路负载开关；具有快速输出放电和导通引脚滞后功能的3.6V，0.5A，55mΩTPS22932B-型负载开关；和具有控制启动功能的小型、超低导通电阻的TPS22963C-型负载开关。
NXP（恩智浦）公司推出的适用于USBType-C和PD应用的NX30P6093型负载开关，它是一款8AI2C（两线双向总线控制）控制过压保护负载开关。
该款负载开关工作电压为2.8V至20.0V，它包括欠压锁定、过压锁定和过温保护电路，用于在发生故障时自动隔离电源开关终端。
该产品具备输入引脚阻抗检测功能，向系统提供USB电源引脚状态，避免对Type-C端口电源引脚造成短路损害。
日本TOSHIBA（东芝）公司推出的TCK321G、TCK322G、TCK323G系列负载开关，具有36V高输入电压以及2A的大电流输出特性，适用于电池充电、智能手机、平板电脑、可穿戴设备以及其它具有多种充电选项的移动设备的应用[17]。
ADI（亚德诺半导体）公司推出的高端负载开关ADP197，工作电压范围1.8V到5.5V，它能提供电源隔离，帮助延长电源使用寿命。
该器件内部添加了一个低导通电阻的N沟道MOSFET，可支持超过3安培的连续电流，该款负载开管非常适合于电池供电的便携式充电设备。
此外，FAIRCHILD（仙童半导体）公司、ANALOGICTECH（研诺半导体）公司和MICREL（麦瑞半导体）等多家公司也都相继开发出多种新型负载开关。
这些公司研究的负载开关产品主要集中在小电流低电压负载的应用，大部分工作电压为1.2V~5.5V，只有少数工作电压为3V~13V。
如果要求工作电压18V~36V，工作电流≧5A，则较难找到合适的现成产品。
1.2.2国内研究现状
我国在电源IC管理和负载开关设计领域著名的企业并不是很多，像台湾的RichTek半导体公司在做LDO，LED驱动器和具有限流保护功能的功率开关；上海贝岭公司在做广泛应用于音频和数据切换的负载开关；北京的SGMICRO（圣邦微电子）半导体公司在做模拟集成电路的研发和销售，其中也有类似SGM2554系列的限流保护负载开关产品的推出；以及上海韦尔半导体的WS46XXX系列，主要针对USB充电设备保护应用，工作电压为2.5V~5.5V的多功能保护负载开关。
这些公司的负载开关产品各有侧重，主要取决于实际的应用环境。
目前，我国在高端集成式负载开关类型的产品还不是很多，市场上大都以传统的功率开关为主。
为此，本课题拟研究和设计一款具有双输入功能的双向大电流负载开关芯片。
该芯片的输入引脚可支持高达20V的直流工作输入电压，可承受的耐压值最大为直流28V，从输入引脚到输出引脚的连续工作电流最大可达5A。
同时该芯片还具有集成的高速输入过压保护功能，在导通状态或关断状态期间发生浪涌事件时可确保其安全工作。
1.3论文主要工作和章节安排
本论文的主要工作是基于BCD工艺设计了一款双向大电流的负载开关芯片，论文的作者主要负责芯片的系统设计、工艺选型、模拟电路部分设计与整体电路的仿真验证工作。
论文的主要内容和各章节安排如下：
第1章为绪论，主要阐述了本课题的研究背景和发展状况，总结了由于新一代智能化便携式电子产品的快速发展，对电源管理芯片的要求更高，进而对负载开关的需求也越来越强烈，然后介绍了当前国内外一些著名的集成电路设计公司的代表性负载开关产品；最后根据市场需求和应用，提出本文设计的双向大电流负载开关芯片，并给出本文设计的负载开关芯片的特点。
第2章为负载开关介绍，主要介绍了负载开关的基本原理及功能作用；首先给出了基本负载开关的框图和原理介绍，接着给出了负载开关的设计指标和在设计负载开关时应注意的事项及规范。
第3章为双向大电流负载开关芯片的整体设计，在分析传统负载开关优缺点的基础上提出了芯片设计框图和指标，然后对模拟集成电路的工艺做了简单介绍，重点分析了针对本文设计所使用的BCD工艺。
第4章为双向大电流负载开关芯片的子模块电路设计，以第3章的理论基础和设计思路为指导，对各个子模块电路进行分析设计，并给出仿真结果。
第5章为整体仿真电路验证，搭建了负载开关芯片的整体仿真框图，对主要的指标参数进行仿真验证。
第6章是总结和展望，一方面对自己的研究内容进行了一个总结，另一方面对自己的研究指出不足之处，并进一步对未来负载开关的发展作了展望。
第2章
负载开关介绍
本章主要对负载开关的原理做了一定介绍，给出了负载开关的基本结构，基于传统负载开关框图分析了负载开关的基本组成模块，介绍了负载开关在电路保护和电源管理中的功能作用，最后给出了负载开关设计时的指标要求和注意事项。
2.1负载开关的基本原理
负载开关是可用于开启和关闭电源轨的集成电子继电器。
负载开关为系统带来许多其它优势，并且集成通常难以用分立元件实现的保护功能。
负载开关一般是由输入电压引脚、输出电压引脚、使能引脚以及接地引脚四个部分组成。
如图2.1所示。
当设备凭借ON引脚启动，通过FET（场效应晶体管）打开，电路中电流即可从输入流向输出引脚，依次将电能传送到下游电路。
图2.1传统负载开关电路图
从传统负载开关电路图来看，优点是结构相对较为简单，以最简单的电路实现对负载的保护；缺点在于结构较为单一，不具备过热保护等功能。
一旦出现短路，不仅相应的负载开关会受到损坏，而且会造成电源过载，导致整个装置以及系统失稳不能正常运行。
最近几年，电源IC设计工程师针对不同应用场景和电子设备，在传统负载开关结构上进行了相应功能模块的集成，不仅增强了负载开关的性能、还稳固了可靠性。
下图2.2是多功能集成负载开关的基本框图。
图2.2集成负载开关基本框图
从图中可以看出，该负载开关共包括八个模块。
它们分别是导通FET、驱动模块、逻辑控制模块、电荷泵、反向电流保护、限流模块、热关断以及快速输出放电模块。
1.导通FET是负载开关的主要元件，它决定了负载开关可处理的最大输入电压和最大负载电流。
负载开关的导通电阻是导通FET的特性，将用于计算负载开关的功耗。
导通FET既可以是N沟道FET，也可以是P沟道FET，采用何种导通FET将直接决定负载开关的架构。
2.栅极驱动器以控制方式对导通FET的栅极进行充放电，从而控制器件的上升时间。
3.逻辑控制模块由外部逻辑信号驱动。
它控制了导通FET和其它模块，如快速输出放电模块、电荷泵以及带保护功能模块的接通和关断。
4.并非所有负载开关中均包含电荷泵。
电荷泵用于带有N沟道FET的负载开关，因为栅极和源极间需要有正差分电压才能正确接通FET。
5.高反向偏置电压的产生是导致反向电流的根本原因；电流走向改变为输出到输入端。
反向电流有可能损坏内部电路和电池等电源，因此为了避免这种情况的发生，需要在芯片内集成反向电流保护功能。
6.在电子设备的使用过程中，一旦负载出现异常，流过的电流便瞬间增大，这种瞬态大电流可能会烧毁电路。
所以需要在电路中加入限流电路，当负载开关电流达到限流值时，芯片会在恒流模式下工作，以防止过量电流造成器件失效。
7.高压功率输出电路会导致芯片产生一定的热量，芯片过热一方面会增加额外损耗，另一方面还会造成电路失效。
所以为了避免这种情况的发生，需要在负载开关IC中对热关断电路进行有效设计，一旦芯片温度达到阈值温度值，电路自行输出热关断信号，对系统进行过温保护；当芯片温度低于阈值温度后，系统恢复正常运行。
8.快速输出放电模块是一个连接输出到地的片上电阻，当通过ON引脚禁用器件时，该电阻导通。
这将对输出节点进行放电，从而防止输出端浮空。
对于带有快速输出放电模块的器件，仅当输入电压和偏置电压处于工作范围内时，此功能才有效。
2.2负载开关的功能作用
1.配电：
许多电源对子系统配电的控制有限。
这时可使用负载开关来接通和关断输入电压相同的子系统，而避免重复使用多个DC/DC转换器或LDO。
在使用负载开关后，可通过对各个负载的控制在不同负载间进行配电，大大简化电路，提高工作效率。
如图2.3所示。
图2.3负载开关配电框图
2.上电排序和电源状态转换：
在一些带有处理器的系统中，必须遵循严格的上电时序。
负载开关可提供每个电源路径的独立控制，从而简化上电排序的负载点控制，如图2.4所示。
图2.4使用负载开关的上电排序
3.低漏电流：
在许多设计中，存在只在特定工作模式期间使用的子系统。
可以使用负载开关关闭这些子系统的电源来限制漏电流量和功耗。
在一些应用中，可禁用DC/DC转换器、LDO等模块并将其置于待机模式。
但即使是处于关断状态，这些模块的漏电流也相对较高。
这时在负载前面放置一个负载开关可显著减小漏电流和功耗。
图2.5显示了使用和不使用负载开关时的漏电流对比情况。
图2.5使用和未使用负载开关时的漏电流情况对比
4.断电控制：
当不带快速输出放电功能的DC/DC转换器或LDO关闭时，负载电压保持浮空，断电取决于负载，如图2.6所示。
这可能导致出现预想外的动作，因为下游模块并未在断电后到达指定状态。
图2.6未使用负载开关时的不受控断电
使用带快速输出放电功能的负载开关可缓解这些问题。
负载将以受控方式快速断电，并将复位为已知的良好状态以备下次上电，如图2.7所示。
图2.7使用负载开关时的受控断电
5.浪涌电流控制：
在没有任何转换率控制的情况下开启子系统时，可能会由于负载电容快速充电产生浪涌电流而导致输入轨下陷。
由于此输入轨可能正在为其它子系统供电，因此这会引发器件失效等问题。
负载开关可以通过控制输出电压的上升时间来消除输入电压的下陷，从而解决此问题。
6.某些应用可能需要负载开关中集成故障保护功能。
一些负载开关包括反向电流保护、ON引脚滞后、限流、欠压锁定和过热保护等集成功能。
与通过离散元件实现这些复杂电路不同，使用集成负载开关可减少物料清单数量（BOM）、减小解决方案尺寸并缩短开发时间。
下面简要介绍了其中一些功能：
反向电流保护功能将阻止电流从VOUT引脚流向VIN引脚。
如果没有此功能，当二极管压降导致VOUT上的电压高于VIN上的电压时，电流可能从VOUT引脚流向VIN引脚。
因此，反向电流阻断可使某些应用获益，如电流不应从VOUT流向VIN的电源多路复用器应用。
有许多不同的方法可实现反向电流保护。
在某些情况下，器件将监视VIN引脚和VOUT引脚上的电压。
当此差分电压超出特定阈值时，开关将被禁用，同时体二极管断开以防止出现流向VIN的反向电流。
某些器件只有在被禁用时才具有反向电流保护功能。
ON引脚滞后功能可使GPIO使能更稳定。
由于ON引脚上存在逻辑高电平与逻辑低电平的电压差，即使GPIO线上出现噪声，控制电路也将按预期工作。
限流功能将限制负载开关输出的电流量。
这将确保外部电路不会拉过量的电流。
如果电流不受限制，外部电路可能会使主系统停止工作。
在限流模式下，负载开关提供连续电流，直至开关电流降至电流限值以下。
欠压锁定（UVLO）用于在VIN电压降至阈值以下时关闭器件，以确保下游电路不会因为供电电压低于预期值而损坏。
过热保护功能可在器件温度超出阈值温度时禁用开关。
凭借此功能，器件可用作在检测到高温时关断的安全开关。
7.使用集成负载开关可减少系统的BOM数量和PCB面积。
如果有离散FET与其它元件配合使用，则可以考虑使用负载开关来减少系统中的元件总数。
分离创建负载开关时，将需要多个电阻、电容和晶体管来实现栅极驱动器、控制逻辑、输出放电和保护功能。
而采用集成负载开关，只需单个器件便可实现全部功能，从而显著降低BOM数量。
2.3负载开关的器件选择和设计指标
1.NMOS与PMOS的选用
在NMOS器件中，通过使栅极电压高于源极电压来使导通FET接通。
通常，源极电压与输入端处于相同电势。
要使栅极和源极间产生上述电压差，需要一个电荷泵。
使用电荷泵将增大器件的静态电流。
在PMOS器件中，通过使栅极电压低于源极电压来使导通FET接通。
PMOS器件的架构则无需电荷泵，因此其静态电流比NMOS器件的静态电流低。
使用PMOS架构与使用NMOS架构的一个主要差别是，使用PMOS架构设计的负载开关在低电压下性能欠佳，而NMOS器件在低输入电压应用中性能良好。
因此，在高压应用中的开关通路设计多采用N型MOSFET做功率开关管，这样可以有效降低导通电阻从而降低导通损耗。
2.导通状态电阻（RON）
导通状态电阻（RON）是一个极为重要的参数，因为它决定了负载开关的压降和功耗。
RON越大，负载开关的压降越大，功耗越高。
3.电压（VIN）和电流（IMAX）额定值
决定使用哪种负载开关时的重要考虑因素之一是应用所需的电压和电流。
负载开关必须能够支持稳态工作期间所需的直流电压和电流，以及瞬变电压和峰值电流。
需要注意的是，一些负载开关需要偏置电压来开启器件和偏置内部电路，此偏置电压与输入电压无关。
所以在设计负载开关时，对输入最大电压和最大电流值得计算极为重要。
4.关断电流（ISD）和静态电流（IQ）
静态电流是负载开关接通时消耗的电流。
除功率损耗外，静态电流还将决定负载开关接通时的功耗量。
如果负载电流足够大，则静态电流引起的功耗可忽略不计。
关断电流决定了负载开关通过ON引脚被禁用时的功耗量。
使用负载开关切断子系统电源可显著降低电源轨的待机功耗。
5.快速输出放电
一些负载开关具有内部电阻，该电阻会在开关关断时将输出拉至地，以避免输出浮空。
要使快速输出放电功能起作用，输入电压引脚上的电压需处于工作范围内。
快速输出放电功能有诸多好处，例如：
①输出不会浮空并且始终处于已确定状态。
②下游模块始终完全关闭。
不过，仍有应用无法从快速输出放电功能中受益。
③如若负载开关输出端和相应的电池连接，凭借ON引脚停止负载开关工作时，快速输出放电便会造成电池电量耗尽。
④如果两个负载开关用作双输入单输出多路复用器，则负载开关无法提供快速输出放电功能。
否则，快速输出放电期间将持续浪费电能，因为只要通过ON引脚禁用负载开关，电流就会通过内部电阻流向地。
6.上升时间
上升时间因器件而异。
上升时间可能需要较短，也可能较长，具体取决于应用。
此外，浪涌电流与上升时间成反比。
7.输入和输出电容
在负载开关应用中，放置输入电容，目的是为了限制进入电容的瞬变浪涌电流所造成的压降，通常在输入和地之间靠近输入端的位置放置1µF的电容。
使用较大的电容将降低大电流应用期间的压降。
但并非所有负载开关都需要放置电容，因为在移除电源时，输出端和地之间的总输出电容可能会使输出上的电压超过输入上的电压，对于不具备反向电路保护功能的器件，这种情况会导致电流从输出端经导通FET中的体二极管流向输入端，由此造成负载开关损坏现象。
为防止出现这种情况，一般选择输入电容和负载电容为10:
1的比值。
2.4本章小结
本章主要介绍了负载开关的基本原理和功能作用，以及在设计负载开关时应注意的重要指标参数和设计规范。
首先基于负载开关电路结构对其相关原理进行了简明概述，然后结合目前的多功能集成式负载开关系统框图，简单介绍集成式负载开关的模块以及设计方法。
第3章负载开关芯片的整体设计
本章主要基于上一章负载开关的基本原理和设计方法，在分析传统负载开关的优缺点后，对本文提出的双向大电流负载开关芯片进行整体设计，给出了本文设计的负载开关芯片应该满足的各项电气特性指标和参数，最后对负载开关设计中用到的工艺技术做了简要介绍。
3.1负载开关芯片的整体设计要求
根据前面对负载开关的介绍，可以看到负载开关在电路中将电源隔离同时提供对负载的保护，但传统的负载开关功能较为单一，在电路中仅实现基本的通断功能；多功能集成式负载开关与其相比除了具备传统负载开关基本的通断功能外，还根据不同的应用集成了更多的功能，使得其可以广泛应用于便携式消费类电子产品。
为此，本文设计了一款双向大电流的负载开关芯片，该款负载开关芯片具有宽输入电压范围、大输出电流和低导通电阻的特点。
可提供输入过压保护和浪涌保护，在导通状态或关断状态期间发生浪涌事件时可确保系统安全工作。
同时，该芯片还具有欠压锁定、和过温保护电路，用于在发生故障时自动隔离电源开关。
此外，该芯片可支持OTG（On-The-Go）数据传输功能，其正向有线充电模式从VIN输出到OUT，反向OTG数据传输模式从OUT输出到VIN，可实现双输入。
3.1.1应用领域
（1）智能手机、手持设备；
（2）USBType-C接口双向供电设备；
（3）多电源接口的平板电脑、笔记本电脑等。
3.1.2主要特性
（1）直流输入电压工作范围：
3.0V~20V；
（2）导通电阻：
<35mΩ;
（3）静态电流：
<200µA;
（4）最大输出电流：
5A；
（5）工作温度范围：
-40℃~+85℃；
（6）软启动功能；
（7）输入过压保护功能；
（8）欠压锁存保护功能；
（9）过温保护功能；
（10）符合IEC6100-4-5的100V浪涌保护；
（11）OTG数据传输功能。
3.1.3芯片管脚定义及封装
首先对芯片各管脚进行定义，使之满足设计要求。
与此同时，对其封装形式进行确定，具体的管脚定义详情如表3.1所示。
表3.1本文所设计芯片的管脚定义及功能描述
管脚位号
管脚名称
功能描述
1
升级会员 