功率P-FET控制器LTC4414(圖)

　　LTC4414是一種功率P-EFT控制器，主要用于控制電源的通、斷及自動切換，也可用作高端功率開關(guān)。該器件主要特點：工作電壓范圍寬，為3.5～36V；電路簡單，外圍元器件少；靜態(tài)電流小，典型值為30μA；能驅(qū)動大電流P溝道功率MOSFET；有電池反極性保護(hù)及外接P-MOSFET的柵極箝位保護(hù)；可采用微控制器進(jìn)行控制或采用手動控制；節(jié)省空間的8引腳MSOP封裝；工作溫度范圍-40℃～+125℃。

　　LTC4414的引腳排列如圖1所示，各引腳功能如表1所示。

　　這里通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及外接元器件組成的電源自動切換電路來說明其工作原理。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及外圍元器件組成的電路如圖2所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由放大器A1、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路、電源選擇器（可由V_IN端或SENSE端給內(nèi)部電路供電）、模擬控制器、比較器C1、基準(zhǔn)電壓源（0.5V）、線性柵極驅(qū)動器和柵極電壓箝位保護(hù)電路、開漏輸出FET及在CTL內(nèi)部有3.5μA的下拉電流源等組成。外圍元器件有P溝道功率MOSFET、肖特基二極管D1、上拉電阻R_PU、輸入電容C_IN及輸出電容C_OUT。

圖2中有兩個可向負(fù)載供電的電源（主電源及輔電源），可以由主電源單獨供電，也可以接上輔電源，根據(jù)主、輔電源的電壓由LTC4414控制實現(xiàn)自動切換。這兩種供電情況分別如下。

1 主電源單獨供電

　　主電源單獨供電時，電流從LTC4414的V_IN端輸入到電源選擇器，給內(nèi)部供電。放大器A1將V_IN和V_SENSE的差值電壓放大，并經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換，輸出與V_IN－V_SESNSE之值成比例的電流輸入到模擬控制器。當(dāng)V_IN－V_SESNE>20mV時，模擬控制器通過線性柵極驅(qū)動器及箝位保護(hù)電路將GATE端的電壓降到地電平或到柵極箝位電壓（保證-V_GS≤8.5V），使外接P-MOSFET導(dǎo)通。與此同時，V_SESNE被調(diào)節(jié)到V_SESNE=V_IN－20mV，即外接P-MOSFET的V_DS=20mV。P-MOSFET的損耗為I_LOAD×20mV。在P-MOSFET導(dǎo)通時，模擬控制器給內(nèi)部FET的柵極送低電平，F(xiàn)ET截止，STAT端呈高電平（表示P-MOSFET導(dǎo)通）。

2 加上輔電源

　　當(dāng)加上輔電源（如交流適配器）后，如果V_SESNE> V_IN+20mV，則內(nèi)部電源選擇器由SENSE端向內(nèi)部電路供電。模擬控制器使GATE端電壓升高到V_SENSE，則P-MOSFET截止，輔電源通過肖特基二極管D1向負(fù)載供電。這種電源切換是自動完成的。

　　在輔電源向負(fù)載供電時，模擬控制器給內(nèi)部FET的柵極送高電平，F(xiàn)ET導(dǎo)通，STAT端呈低電平（表示輔電源供電）。上拉電阻R_PU的阻值要足夠大，使流過FET的電流小于5mA。

在上述兩種供電方式時，CTL端是接地或懸空的。CTL的控制功能將在下面的應(yīng)用電路介紹。

1 主、輔電源自動切換電路

　　圖3是一種減少功耗的主、輔電源自動切換電路，其功能與圖2電路相同，不同之處是用一只輔P-MOSFET（Q2）替代了　圖2中的D1，可減少電壓降及損耗。其工作原理與圖2完全相同。

2 由微控制器控制的電源切換電路

　　由微控制器（μC）控制的電源切換電路如圖4所示。此圖中的主、輔P-MOSFET都采用了兩個背對背的P-MOSFET組成，其目的是主電源或輔電源中的P-MOSFET截止時，均不會通過P-MOSFET內(nèi)部的二極管向負(fù)載供電。其缺點是電源要通過兩個P-MOSFET才能向負(fù)載供電，損耗增加一倍，并增加成本。

　　圖4虛線框中的穩(wěn)壓二極管（一般取8～10V）連接在輔P-MOSFET的極限-V_GSS時，由于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓<-V_GS，穩(wěn)壓　二極管被擊穿使P-MOSFET的-V_GS箝位于8～10V，從而進(jìn)行保護(hù)。

　　主、輔電源的電壓若等于或小于 μC的工作電壓時，主、輔電源可直接連接μC的ADC接口；若主、輔電源的電壓大于μC的工作電壓時，則電源電壓要經(jīng)過電阻分壓器分壓后才能輸入 μC的ADC（圖4中，主輔電源直接與μC接口）。

　　μC的I/O口與LTC4414的CTL端連接。當(dāng)在CTL端施加邏輯低電平時（低于0.35V）時，主電源向負(fù)載供電（不管輔電源的電壓高低）；當(dāng)μC向CTL端施加高電平（高于0.9V）時，則由輔電源向負(fù)載供電（也不管其電壓比主電源高還是低）。一旦輔電源供電，主電源可移去。只有當(dāng)主電源高于輔電源并且在CTL端置低電平時才能使主電源恢復(fù)供電。為了在切換的瞬間使輸出電壓變化較小，輸出電容COUT要有足夠的電容量。

　　這電路切換的過程是：CTL=H時，GATE端的電壓與SENSE端的電壓相等，使主P-MOSFET的-VGS=0而截止；與此同時STAT端為低電平，使輔P-MOSFET的-V_GS≈V_out而導(dǎo)通。

　　在實際使用時，主電源往往由電池供電，主電源低閾值電壓（切換電壓）先設(shè)定好并存入μC中，μC檢測主要電源的電壓，一旦主電源的電壓低于設(shè)定的低閾值電壓，μC向CTL端輸出高電平，則主P-MOSFET截止；STAT端輸出低電平，輔P-MOSFET導(dǎo)通，電源切換成輔電源供電。此時可移去主電源的電池，更換充好電的電池再裝入。μC可檢查主電源的電壓，若V_IN>V_SENEN超過20mV，μC會自動切換到主電源供電。μC還可以通過I/O口驅(qū)動不同顏色的LED，顯示主、輔電源的供電狀態(tài)。

3 高端功率開關(guān)

　　圖5 是由LTC4414組成的高端功率開關(guān)電路。由CTL端施加邏輯電平來控制P-MOSFET的通、斷。該電路可由μC控制、電路控制或手動控制。CTL=L時，開關(guān)導(dǎo)通；CTL=H時，開關(guān)關(guān)斷。

　　LTC4414的主要外圍元器件是P-MOSFET、輸入、輸電容器CIN和COUT。

1 P-MOSFET的選擇

　　為滿足電路工作的可靠性，要選V_DSS>V_IN(max)及R_DS(on)小的P-MOSFET。在V_IN低、I_LOAD大時，要保證ID>I_LOAD(max)及R_DS(on) ×I _LOAD(max) ≤20mV。

2 C _IN及C _OUT的選擇

　　為保證在電源切換及負(fù)載有較大變化時輸出電壓穩(wěn)定，選擇合適的CIN及COUT很重要。

C _IN一般在0.1～10μF范圍內(nèi)選擇，C _OUT在1～47μF范圍內(nèi)選取。C _IN及C _OUT可選用多層陶瓷電容器（MLCC），其電容量大小是否合適最好通過實驗來調(diào)整。

　　在使用MLCC電容器時，因其ESR低，自身諧振頻率及Q值高，有可能在AC適配器供電插拔瞬單間生高壓脈沖而損壞LTC4414。因此，凌特公司建議在輸入電容中串聯(lián)幾個Ω的電阻以降值Q值以防止瞬態(tài)高壓的產(chǎn)生。在實驗過程中可看V _IN及S ENSE端的電壓波形來調(diào)整電容量及增減串聯(lián)在C _IN電路中的各電阻值。

　　該器件主要應(yīng)用于大電流功率通路開關(guān)、工業(yè)控制及汽車、不間斷電源（UPS）、邏輯電平控制的功率開關(guān)和帶有備用電池的應(yīng)急系統(tǒng)。