負載管理與負載開關的設計與實現

　　前言

　　近年來，很多、纖巧型便攜式電子產品被開發出來，如手機、數碼相機、MP3、MP4、PDA、GPS及DVD等。它們不僅體積小、重量輕、功能多，并且充電的時間間隔較長，即產品省電，從而延長了電池的壽命。

　　為延長產品充電的時間間隔，設計者采用了很多辦法：采用單位體積、單位重量的電池容量最大的鋰離子電池或鋰聚合物電池，并且增加了電池的容量；在電路設計上采用節省電能的電路；在元器件選擇上采用高效率的低功耗或微功耗產品或用專用集成電路以減少功率損耗；而最重要的措施是產品在不同的工作狀態時，為有用的電路供電，而將暫時不用的電路斷電，這樣可最大限度地省電，這就是采用負載管理。

　　電源給各個電路供電，各個電路就是電源的"負載"。例如發射電路及接收電路是電源的負載，功率放大電路也是電源的負載。另外，電源的負載還包括一些器件（如LED）或一些其他產品（如硬盤、直流電動機等）。多功能的便攜式電子產品有很多功能電路組成，隨著工作電壓的不同，對電源的要求也不相同，因此有多個電源。要實現負載管理并不容易，現代的負載管理是由微處理器、電源管理IC及負載開關組成。

　　電源管理IC組成的負載管理

　　微處理器通過控制電源的工作來實現負載管理，如圖1所示，圖1中有N個電源，每個電源帶一個負載（有N個負載）。每一個電源都有一個使能端（EN，高電平有效）或關閉電源控制端（SHDN，低電平有效），微處理器的I/O口與電源的EN端或SHDN端連接，輸出邏輯電平來控制電源的開通或關斷，這樣就可以實現負載管理。例如，某產品有6個電源，在某種工作狀態時，需要電源1~3開通，則負載1~3得電工作，電源4~6關斷，負載4~6失電不工作，只要在電源1~3的EN端加邏輯高電平，在電源4~6的EN端加低電平即可。

　　圖2是TI公司的一種電源管理IC（TPS65021）的功能結構示意圖。它由1節鋰離子電池供電，由微處理器通過I2C與器件接口。TPS65021內部有控制功能電路及6個電源（3個DC/DC轉換器，3個線性穩壓器LDO，輸出V1-V6電壓）。它可以給手機供電及實現負載管理。

 　　數碼相機中有三種電源：系統電源、LCD電源以及白光LED驅動電源（背光照明及閃光燈電源）。系統電源部分由4個DC/DC轉換器組成，如圖3所示。它分別給CCD攝像頭、I/F接口電路、CPU的核及伸縮鏡頭的電動機供電，通過微處理器可做負載管理，微處理器也可以根據工作狀態要求來控制LCD背光亮度及閃光燈驅動電路。

　　負載開關IC組成的負載管理

　　負載管理也可以由微處理器與多個負載開關組成。負載開關是一種功率電子開關，其基本工作原理如圖4-a)所示，它由兩個MOSFET（Q1：P-MOSFET及Q2：N-MOSFET）及一個電阻R組成。其工作原理是：在ON/OFF端加高電平時，Q2導通；Q2導通時將Q1的柵極拉到接近地電平，若其IN接電源電壓VIN，則Q1的源極與柵極之間的-VGS≈VIN，則Q1相繼導通，電源電壓可經過負載開關給負載供電；若在ON/OFF端加低電平，則Q2截止；Q1的柵極及源極由電阻R連接，使柵極與源極同電位，即-VGS=0V，Q1截止，電源被切斷，負載失電。負載開關的等效電路如4-b）所示。

 　　由微處理器及N個負載開關及N個負載組成的負載管理結構框圖如圖5所示。各個負載開關接在電源與負載之間，其ON/OFF端與微處理器的I/O口連接。在不同的工作狀態時，由微處理器給各個負載開關的ON/OFF端輸出邏輯電平；輸入高電平的負載得電，輸入低電平的負載失電。采用這種方案也能實現負載管理，主要用于一個電源帶多個負載的產品中。

　　電源管理IC及負載開關組成的結構

　　在實際應用中，往往由于電路復雜而采用電源管理IC及多個負載開關組成的負載管理系統，如圖6所示。圖6中有3個電源，輸出不同的電壓。電源1給負載1~3供電。為了控制負載1~3的通電或失電，在電源與負載之間設了3個負載開關。電源2、電源3則由電源管理IC來控制其負載的通電或失電。