負(fù)載管理與負(fù)載開關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jī)、數(shù)碼相機(jī)、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(shí)間間隔較長(zhǎng)，即產(chǎn)品省電，從而延長(zhǎng)了電池的壽命。

　　為延長(zhǎng)產(chǎn)品充電的時(shí)間間隔，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，為有用的電路供電，而將暫時(shí)不用的電路斷電，這樣可最大限度地省電，這就是采用負(fù)載管理。

　　電源給各個(gè)電路供電，各個(gè)電路就是電源的"負(fù)載"。例如發(fā)射電路及接收電路是電源的負(fù)載，功率放大電路也是電源的負(fù)載。另外，電源的負(fù)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(dòng)機(jī)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(duì)電源的要求也不相同，因此有多個(gè)電源。要實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理并不容易，現(xiàn)代的負(fù)載管理是由微處理器、電源管理IC及負(fù)載開關(guān)組成。

　　電源管理IC組成的負(fù)載管理

　　微處理器通過控制電源的工作來實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理，如圖1所示，圖1中有N個(gè)電源，每個(gè)電源帶一個(gè)負(fù)載（有N個(gè)負(fù)載）。每一個(gè)電源都有一個(gè)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(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。例如，某產(chǎn)品有6個(gè)電源，在某種工作狀態(tài)時(shí)，需要電源1~3開通，則負(fù)載1~3得電工作，電源4~6關(guān)斷，負(fù)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(gè)電源（3個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，3個(gè)線性穩(wěn)壓器LDO，輸出V1-V6電壓）。它可以給手機(jī)供電及實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理。

 　　數(shù)碼相機(jī)中有三種電源：系統(tǒng)電源、LCD電源以及白光LED驅(qū)動(dòng)電源（背光照明及閃光燈電源）。系統(tǒng)電源部分由4個(gè)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(dòng)機(jī)供電，通過微處理器可做負(fù)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(dòng)電路。

　　負(fù)載開關(guān)IC組成的負(fù)載管理

　　負(fù)載管理也可以由微處理器與多個(gè)負(fù)載開關(guān)組成。負(fù)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(gè)MOSFET（Q1：P-MOSFET及Q2：N-MOSFET）及一個(gè)電阻R組成。其工作原理是：在ON/OFF端加高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通；Q2導(dǎo)通時(shí)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(fù)載開關(guān)給負(fù)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(fù)載失電。負(fù)載開關(guān)的等效電路如4-b）所示。

 　　由微處理器及N個(gè)負(fù)載開關(guān)及N個(gè)負(fù)載組成的負(fù)載管理結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。各個(gè)負(fù)載開關(guān)接在電源與負(fù)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(shí)，由微處理器給各個(gè)負(fù)載開關(guān)的ON/OFF端輸出邏輯電平；輸入高電平的負(fù)載得電，輸入低電平的負(fù)載失電。采用這種方案也能實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理，主要用于一個(gè)電源帶多個(gè)負(fù)載的產(chǎn)品中。

　　電源管理IC及負(fù)載開關(guān)組成的結(jié)構(gòu)

　　在實(shí)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(gè)負(fù)載開關(guān)組成的負(fù)載管理系統(tǒng)，如圖6所示。圖6中有3個(gè)電源，輸出不同的電壓。電源1給負(fù)載1~3供電。為了控制負(fù)載1~3的通電或失電，在電源與負(fù)載之間設(shè)了3個(gè)負(fù)載開關(guān)。電源2、電源3則由電源管理IC來控制其負(fù)載的通電或失電。