負載管理與負載開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

　　前言

　　近年來，很多、纖巧型便攜式電子產(chǎn)品被開發(fā)出來，如手機、數(shù)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(chǎn)品省電，從而延長了電池的壽命。

　　為延長產(chǎn)品充電的時間間隔，設(shè)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(shè)計上采用節(jié)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(chǎn)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(chǎn)品在不同的工作狀態(tài)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(fā)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(chǎn)品（如硬盤、直流電動機等）。多功能的便攜式電子產(chǎn)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(xiàn)負載管理并不容易，現(xiàn)代的負載管理是由微處理器、電源管理IC及負載開關(guān)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(xiàn)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(guān)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(guān)斷，這樣就可以實現(xiàn)負載管理。例如，某產(chǎn)品有6個電源，在某種工作狀態(tài)時，需要電源1~3開通，則負載1~3得電工作，電源4~6關(guān)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(jié)構(gòu)示意圖。它由1節(jié)鋰離子電池供電，由微處理器通過I2C與器件接口。TPS65021內(nèi)部有控制功能電路及6個電源（3個DC/DC轉(zhuǎn)換器，3個線性穩(wěn)壓器LDO，輸出V1-V6電壓）。它可以給手機供電及實現(xiàn)負載管理。

 　　數(shù)碼相機中有三種電源：系統(tǒng)電源、LCD電源以及白光LED驅(qū)動電源（背光照明及閃光燈電源）。系統(tǒng)電源部分由4個DC/DC轉(zhuǎn)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(jù)工作狀態(tài)要求來控制LCD背光亮度及閃光燈驅(qū)動電路。

　　負載開關(guān)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(guān)組成。負載開關(guān)是一種功率電子開關(guān)，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(dǎo)通；Q2導(dǎo)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(dǎo)通，電源電壓可經(jīng)過負載開關(guān)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(guān)的等效電路如4-b）所示。

 　　由微處理器及N個負載開關(guān)及N個負載組成的負載管理結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。各個負載開關(guān)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(tài)時，由微處理器給各個負載開關(guān)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(xiàn)負載管理，主要用于一個電源帶多個負載的產(chǎn)品中。

　　電源管理IC及負載開關(guān)組成的結(jié)構(gòu)

　　在實際應(yīng)用中，往往由于電路復(fù)雜而采用電源管理IC及多個負載開關(guān)組成的負載管理系統(tǒng)，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(shè)了3個負載開關(guān)。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。