应用零电压MOSFET设计常开负载开关降低功耗

　　随着供电电压的降低和绿色能源的普及，设计者应该重新检查电路中持续耗电的部分，从而降低整个系统的能耗。需要持续供电的“常开”（ normally-ON）电路，现在可以通过一些新的器件来重新设计，以减少能量的浪费。

　　低压操作和超低功耗的需求增长已经像电路供电电压需要降低一样的重要。如今的随身消费电子产品设计节省了电池能量，并且利用高侧负载开关（high-side load switch）通过暂时关闭系统未使用的部分来化电池的负担。

　　负载开关通常是处理器控制的，因此必须与CMOS兼容。功率MOSFET已经成为高侧负载开关应用的开关元件，利用P沟道器件使其性能达到。许多这种电路被称为“常关”（normally-OFF）电路，即需要供电来打开操作。

　　越来越多的人把高侧负载开关当作一种“普遍接受”（generally-accepted, facts-of-life）的电路来重新检查。当利用通常的知识和习惯来决定一个建立传统电路的方法的时候，高侧负载开关就浪费了能量。然而，这些电路还可以被人接受就是因为它们在某一时刻只消耗了很少的能量。

　　新的绿色趋势需要我们把这种应用的效率提高很多数量级。满足这种需求通常需要增加或无附加成本，并且可以通过增加系统运行时间来补偿经济成本。近，再设计推动了微型节能灯（CFL）和小型墙体供电模块的能耗效率的提高，并被应用到从电池充电器、手机到打印机适配器的所有的东西上面。

　　一大类与“常关”（normally-OFF）电路工作在相反状态的电路被称为“常开”（normally-ON）电路。它们需要在不供电时处于“开通”状态，供电工作以后处于“关闭”状态。这方面的一个应用实例就是防盗警报器或者紧急情况警报器，它们需要系统始终处于常开状态。只有当常开状态被打断的时候，它们才被开启并发送出一个信号。这种电路要在全天24小时持续开通，并通常处于空闲状态，等待一个事件的发生来打断它们的通电状态，从而开启报警。

　　有时，这个类型的电路被称作极低占空比（very low duty-cycle）电路，相对于开通时间，它们的关断时间很低。对这些电路来说，开通时间的能耗是个问题，因为当它们*一个外部事件而处于开通状态的时候什么事情都没有做。在“开通”状态下，AC或者电池能量持续消耗。这种电路通常处于开通状态但是只等待非常低的关闭状态的发生率。

　　这种情况产生了对零功耗“常开”负载开关的需求。这种开关需要一种类似于“常关”SPST继电器工作的耗尽型MOSFET。过去，电子行业通常用一个高能耗AC源来设计这种电路，以便于这种电路的性能达到要求，并模拟出需要的功能。

　　应急灯的设计提供了一个持续耗能的“常关”电路的应用实例。很典型地就是一个AC供电模块被连接到一个24小时/7天的AC电源上，并且消耗很少的AC能量。一个可以使用“常关”SPST继电器的电路由这种电源供电。这个继电器持续耗能直到AC电源被中断，那么这个SPST继电器被“打开”并跳转到备用电池给应急灯或警报器供电。

　　AC供电模块要一直处于开通状态并且必须能够给SPST继电器提供足够的电压和电流供其工作。这样通常就需要持续消耗几瓦的AC能量仅仅是为了维持应急灯模块能够工作。目前的这方面的设计需求只是要在应急模块失去AC供电的时候，打开一个功率MOSFET来接通后备电路。剩下的时间，这种设计要保持零功耗。当一个耗尽型MOSFET和一个增强型功率MOSFET同时工作的时候就可以实现零功耗和足够的负载开关驱动电流。

　　耗尽型MOSFET的沟道是导通的，它的漏电流ID(on)在栅极零电压（VGS = 0 V）的时候就可以流动，也就是说，它不需要栅电压就可以工作（VGS甚至可以是正几伏）。在栅极上加一个持续增大的负偏压来降低沟道的导通，直到终达到其阀值电压（-VTH）从而关断导通。Advanced Linear Devices的耗尽型EPAD?产品（ALD1148xx 和 ALD1149xx系列）是低压精密匹配的双/四N沟道器件，它具有超低的阀值电压，多值分类，跨度从-0.4 V 到 -3.5 V。

　　图1电路中的Q1（ALD114904）的栅电压为零，器件处于开通状态。

　　图1：一个常开、高侧开关使用一个ALD EPAD耗尽型MOSFET实现零功耗。

　　它的开状态电阻RDS(on)大概是5 kΩ，与偏置电阻R3一同组成了一个电阻分压器。结果，P沟道功率MOSFET Q2 的栅极被拉低，它被打开并激发负载。如果Q1的栅极现在被负拉高，它将降低导通直到终达到-V (TH)。这将引起Q2的栅极走高并关断，取消激活负载。

　　这个低压电路的供电电压可以通常被设为从+2.0 V 到 +9.0 V而且其典型开关时间小于100纳秒。如果需要的话，这个负载开关可以简单地提供大于3A的输出电流。因为电路静态电流只是由两个三极管的漏电流产生的（小于100nA），因此它可以被看作是零功耗。

　　因为ALD 和 International Rectifier device都是“双”的，一个常开、双极版的电路很容易就被建立了。电路的输入端既可以被连接在一起而提供一个DPST功能，也可以保持独立，而组成两个SPST开关。

　　为了建立一个常开零功耗电路而且其负载通常处于关断状态，需要用一个N沟道负载驱动器（例如IRF7313）取代P沟道负载驱动器IRF7325。在这种情况下，电路是通常开通状态而且负载处于通常关闭状态，整个电路只消耗漏电流。相对于一个继电器激活的电路，这个电路的静态消耗被降低了几个数量级，从几瓦到几微瓦。

　　如图2的一个单常开、高侧SPST开关电路，展示了一个应用ALD110900A的超低功耗开关。

　　图2：一个使用了ALD EPD MOSFETs的微功耗、常开、高侧负载开关实现了零功耗；Q2是一个零阀值器件。

　　Advanced Linear Devices的ALD110800(quad) 和 ALD110900 (dual) EPAD 器件是的MOSFET产品，因为它们有一个真正的“零阀值”电压。这就使它们成为兼具增强型和耗尽型两种特性的器件。当栅极被设为0.0V时，漏电流为1 μA @ VDS = 0.1V，这就提供了一种输出电压级电路，这个输出级被偏置在或者接近于输入电压级，但是没有任何电压级偏移。这个零阀值三极管Q2在栅极很高的时候通常是导通的。当增强型EPAD三极管Q1的栅极被拉高，它的漏级走低，这样就关闭了Q2并且释放了负载的能量。注意，1.5 V的供电压甚至比今天大多数的MOSFET的阀值电压还要低。

　　总结

　　越来越多的电子设计者认识到，对于那些每天24小时运转的小功耗乘以几百万的时间还是会产生很大的能量浪费。使用一些的器件可以使一些新电路大大降低能量浪费。零功耗、常开负载开关设计结合了一个超低功耗、耗尽型MOSFET和一个增强型功率MOSFET，它是一个节省成本、空间和降低功耗的方案。