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運放做自動OR操作的電源選擇器
摘要: 一般來說,人們都希望系統供電電源是可用性最高的輸入電壓。用一種肖特基二極管的OR方法就可以完成這個任務(圖1)。糟糕的是,肖特基二極管的正向壓降在300mV~600mV范圍內。這個壓降會消耗功率,產生熱量,降低系統可用的電壓。
Abstract:
Key words :

一般來說,人們都希望系統供電電源是可用性最高的輸入電壓。用一種肖特基二極管的OR方法就可以完成這個任務(圖1)。糟糕的是,肖特基二極管的正向壓降在300mV~600mV范圍內。這個壓降會消耗功率,產生熱量,降低系統可用的電壓。

  

 

  高效率的電壓OR操作只需要一只P溝道或N溝道MOSFET、一只適當的運放,以及少量無源元件。本例描述了對正直流電源軌的電壓OR應用。P溝道MOSFET設計適合于工作在3.3V或更高電壓的小功率單電源系統,而N溝道MOSFET則適用于較低總線電壓或較大電流,以及有合適運放偏置電壓的情況。

  在N溝道FET設計中,MOSFET漏極流出正電流。在P溝道設計中,電流則來自MOSFET源極。如果采用常見的電流方向(作切換或放大),則MOSFET漏極的體二極管會破壞整流工作。

  首要的設計任務是選擇一款合適的MOSFET.MOSFET的最差情況導通電阻必須足夠低,使滿載電流時的I×R壓降也足夠低,才能達到設計目標。當5A電流流過一只0.01Ω的MOSFET時,產生50mV的正向壓降。一定要考慮到由于R×I2及溫升所產生的功耗。

  第二個設計任務是選擇一款運放。這個運放必須能工作在所有電壓下,為MOSFET提供充分的柵極驅動電壓。P溝道設計要求采用一種軌至軌的型號。對N溝道設計來說,單電源運放是合適的。要考慮的另外一個重要問題是運放的輸入失調電壓VOS,總±VOS窗口必須小于MOSFET上要求的最大壓降。例如,如果允許滿載時有10mV正向壓降,則運放的失調電壓應不差于±5 mV.

  R1/R2、R11/R12和R21/R22構成輸入電壓分壓器,用于將運放輸入偏置在略低于所控制輸入電壓的水平上(圖2與圖3)。這個偏置必須超過運放的最大失調電壓,以確保在施加反向電壓時,量產時用的所有運放器件都能正常地關斷MOSFET.在P溝道的5V設計實例中,R1與R2將運放反相輸入端偏置在輸入電壓的99.9%(即4.995V)直流處。在穩態工作時,運放用于導通MOSFET,將其它運放的輸入保持在相同電壓下,使之在運放失調電壓的容限內。采用0V失調的完美運放時,輕載電流只能使MOSFET部分增強,因此電路產生一個5mV的MOSFET正整流器壓降。這點輕微效果只是R1與R2輸入偏置的唯一缺點。如果MOSFET電阻過高,不能在滿載時保持5mV,則當MOSFET的輸出擺至電源軌時,運放可全增強MOSFET,OR電路為MOSFET提供了全增強的導通電阻。

  

 

  

 

  可以將MOSFET可變的導通電阻看做用于運放檢測電流的元件。當你施加反向電壓時,MOSFET去增強,I×R壓降增加,運放的輸出最終停在相應的電源軌,盡力地驅動MOSFET.

   在輕載情況以及給定失調電壓時,運放嘗試使自己電源輸出檢測的輸入端電壓,達到其電源輸入檢測的輸入端電壓與失調電壓之和。開路時,運放沒有有意的外在失調。如果運放的失調電壓是相反的方向,則當輸入電源總線降低到某個低于輸出電壓總線的電位時,會出現一個相當大的反向截止電流。

 

  圖4顯示了工作區的電流-電壓測試數據。完整的設計(包括有意的失調)產生綠色曲線。等效的相反內部失調與非有意的外在失調則產生藍色曲線。雖然綠色曲線在輕載時犧牲了一些正向壓降,但其正向電壓始終小于滿載的最大值。有意失調避免在MOSFET中出現大的反向電流。本設計能夠以0A電流過渡切換,此時泄漏電流MOSFET的漏極體二極管可能是主要的。

  

 

  另一方面,無有意失調的藍色曲線則允許在某些情況下出現大的反向電流。本例顯示,在電腦關斷MOSFET前,MOSFET上的2mV反向電壓產生了大約100mA的反向電流。P溝道和N溝道設計都已經過測試,P溝道設計已量產。

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