针对便携设备的高端负载开关及其关键应用参数

高端负载开关的定义是：它通过外部使能信号的控制来连接或断开至特定负载的电源(电池或适配器)。相比低端负载开关，高端负载开关“流出”电流至负载，而低端负载开关则将负载接地或者与地断开，因此它从负载“汲入”电流。

高端负载开关不同于高端电源开关。高端电源开关管理输出电源，因此通常会限制其输出电流。相反地，高端负载开关将输入电压和电流传递给“负载”，并且它不具备电流限制功能。

高端负载开关包含三个部分：

传输元件：本质上是一个晶体管，通常为一个增强型MOSFET。传输元件在线性区工作，将电流从电源传输至负载，就像一个“开关”(与放大器相对应)。

栅极控制电路：向传输元件的栅极提供电压来控制导通或关断。它还被称为电平转换电路，外部使能信号通过电平转换来产生足够高或者足够低的栅极电压(偏置电压)来全面控制传输元 件的导通和关断。

输入逻辑电路：主要功能是解释使能信号，并触发栅极控制电路来控制传输元件的导通和关断。

传输元件

传输元件是高端开关最基本的组成部分。最经常考虑的参数，特别是开关导通时的阻抗(RDSON)，与传输元件的结构和特性有直接关系。

由于增强型MOSFET一般在工作期间消耗的电流较少，在关断期间泄漏的电流也较少，并且具有比双极晶体管更高的热稳定性，所以被广泛用作高端负载开关中的传输元件。本文将专门介绍基于增强型MOSFET的传输元件。增强型MOSFET传输元件可以是N沟道FET，也可以是P沟道FET。

当N沟道FET的栅极电压(VG)比其源极电压(VS)和漏极电压(VD)高出一个阈值(VT)时，N沟道FET就会被完全转换至导通状态或者工作于其线性区。以下式子给出了导通条件的数学表达式：

VG－VS＝VGS＞VT

VG－VT＞VD

或者是，

VGS－VT＞VDS

其中，VG为栅极电压、VS为源极电压、VD为漏极电压、VT为FET的阈值电压、VGS为栅－源极压降、VDS为漏－源极压降，所有参数均为正。

图1：具有内置电荷泵的N沟道FET高端负载开关。

当N沟道FET导通时，漏极电流ID为正，从漏极流向源极(如图1和图2所示)。当P沟道FET的栅极电压(VG)比其源极电压(VS)和漏极电压(VD)低出一个阈值(VT)时，P沟道FET就会被完全转换至导通状态或者工作于其线性区：

图2：具有额外VBIAS输入的N沟道FET高端负载开关。

VS－VG＝VSG＞VT

VD－VT＞VG

或者是， VSG－VT＞VSD

其中，VG为栅极电压、VS为源极电压、VD为漏极电压、VT为FET的阈值电压、VSG为源栅极压降、VSD为源漏极压降，这里的所有参数也均为正的。

当P沟道FET处于导通状态时，漏极电流ID为负，从源极流向漏极(图3)。N沟道FET将电子用作“多数载流子”，与P沟道FET的“多数载流子”空穴相比，电子具有更高的移动率。这意味着，在相同的物理密度下，N沟道FET比P沟道FET具有更高的跨导，从而使得在导通状态期间产生较低的漏－源极阻抗(即RDSON)。N沟道FET的RDSON一般为相同尺寸的P沟道FET的RDSON的1/3~1/2，漏极电流ID也会高出相应的倍数(未考虑连接线厚度和封装等其它限制参数)。这还表示，对于相同的RDSON和ID，N沟道FET一般需要较少的硅片，因此它的栅极电容和阈值电压比P沟道FET要低。

图3：P沟道FET高端负载开关。

此外，由于当开关导通时N沟道FET的VD比VG低VT，并且VD一般与VIN相连，因此有可能传递给负载的VIN非常低。理论上讲，N沟道FET开关的VIN可以低至接近GND，并且不高于VG-VT。另一方面，P沟道FET开关传递给负载的VIN(与VS相连)总是高于VG+VT。但这并不表示在任何情况下选择传输元件时N沟道FET都比P沟道FET好。

如上所述，N沟道FET的一个基本属性是开关导通时工作在线性区，VG要比VD高VT。但是，由于VD几乎总是与VIN(通常是开关的最高电压)相连，因此VG必须从现有电压(如外部使能信号EN)进行由低向高的电平转换，或者通过直流偏移进行从低向高的偏置，直流偏移是单个新的高压轨，通常被称为“VBIAS”。

如果栅极电压从使能信号进行从低向高的电平转换，通常需要一个电荷泵作为附加的内部电路。电荷泵需要一个内置的振荡器，芯片上至少需要一个“快速”(flying)电容器，从而产生栅极电压(通常是在导通过程中的多个使能信号)。这当然增加了设计复杂性和硅片大小，从而抵消了N沟道FET因RDSON较低所带来的硅片缩小的优势。当负载电流相对较低(几安培)时，电荷泵确实会增加硅片面积，并且增加的面积比RDSON所能缩小的面积要大，这使得N沟道开关解决方案的成本和设计复杂性要高于P沟道开关方案。更多细节如图1所示。

如果栅极电压通过直流偏移VBIAS进行从低向高的偏置，就不再需要电荷泵，从而硅片面积的增加也不再是主要问题。但是由于可能不具备额外的高压轨(这是大多数电池供电的设置和器件都需要的)，因此这可能不是系统级的最佳解决方案(图2)。

而在P沟道FET中，VG通常低于VS(与VIN相连)。只要开关导通时VS保持在VG