如何使用負(fù)載開關(guān)降低我們物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗

由于物聯(lián)網(wǎng)革命，我們看到越來越多的設(shè)備通過 Wi-Fi® 和藍(lán)牙® 連接到云。例如，當(dāng)我們的智能手機(jī)處于待機(jī)模式時(shí)，負(fù)載開關(guān)通常用于通過禁用無線電（和其他耗電子系統(tǒng)）來節(jié)省電量。這降低了設(shè)備的整體功耗，使電池的使用壽命更長(zhǎng)。
負(fù)載開關(guān)如何工作？
將負(fù)載開關(guān)視為電子燈開關(guān)，用于打開和關(guān)閉負(fù)載。基本負(fù)載開關(guān)只有四個(gè)引腳：V IN、V OUT、ON 和 GND。圖 1 顯示了在更復(fù)雜的負(fù)載開關(guān)中發(fā)現(xiàn)的特性。）打開負(fù)載開關(guān)（通過將 ON 置為高電平）讓電流從 V IN流向 V OUT。當(dāng)我們關(guān)閉開關(guān)時(shí)，沒有電流從 V IN流向 V OUT，并且下游的所有東西也都被關(guān)閉。負(fù)載開關(guān)的待機(jī)功耗有效地替代了V OUT上負(fù)載的待機(jī)功耗。 

圖 1：通用負(fù)載開關(guān)框圖
我們真正節(jié)省了多少電量？
對(duì)于一個(gè)真實(shí)的例子，假設(shè)我們有一個(gè) WiFi 或藍(lán)牙無線電，在睡眠模式下消耗大約 5μA。我將使用TPS22915 負(fù)載開關(guān)進(jìn)行比較帶和不帶負(fù)載開關(guān)的節(jié)電。
TPS22914/15 是一款小型、低 RON、具有受控壓擺率的單通道負(fù)載開關(guān)。此器件包括一個(gè) N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，可在 1.05 V 至 5.5 V 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行并可支持 2A 的最大持續(xù)電流。此開關(guān)由一個(gè)開關(guān)輸入控制，能夠直接連接低電壓控制信號(hào)。
小尺寸和低 RON 使得此器件非常適合于空間受限、電池供電類應(yīng)用。此開關(guān)的寬輸入電壓范圍使得它成為針對(duì)很多不同電壓軌的多用途解決方案。器件的受控上升時(shí)間大大減少了由大容量負(fù)載電容導(dǎo)致的涌入電流，從而減少或消除了電源消耗。通過集成一個(gè)在開關(guān)關(guān)閉時(shí)實(shí)現(xiàn)快速輸出放電 (QOD) 的 143Ω 下拉電阻器，TPS22915 進(jìn)一步減少了總體解決方案尺寸。
集成單通道負(fù)載開關(guān)
輸入電壓范圍：1.05 V 至 5.5 V
低導(dǎo)通電阻 (RON)
RON = 37m?（VIN = 5V 時(shí)的典型值）
RON = 38m?（VIN = 3.3V 時(shí)的典型值）
RON = 43m?（VIN = 1.8V 時(shí)的典型值）
2A 最大持續(xù)開關(guān)電流
低靜態(tài)電流
7.7μA（VIN = 3.3 V 時(shí)的典型值）
低控制輸入閾值允許使用 1 V 或更高電壓的通用輸入輸出 (GPIO) 接口
受控轉(zhuǎn)換率
VIN = 3.3V 時(shí)，tR(TPS22914B/15B) = 64μs
VIN = 3.3V 時(shí)，tR(TPS22914C/15C) = 913μs
快速輸出放電（只適用于 TPS22915）
超小型晶圓級(jí)芯片尺寸封裝
0.78mm × 0.78mm，0.4mm 間距， 0.5mm 高度 (YFP)
根據(jù) JESD 22 測(cè)試得出的靜電放電 (ESD) 性能
2kV 人體放電模式 (HBM) 和 1kV 器件充電模型 (CDM)

如前所述，如果沒有負(fù)載開關(guān)，當(dāng)無線電處于待機(jī)或睡眠模式時(shí)，我們的功耗將約為 5μA。在TPS22915 的數(shù)據(jù)表中，典型的 I SD（關(guān)斷電流）為 0.5μA（不要與 I Q或 7.7μA 的靜態(tài)電流額定值混淆，后者是負(fù)載開關(guān)的有功功耗）。添加TPS22915（圖 2），功耗降低 10 倍！

圖 2：使用和不使用負(fù)載開關(guān)的待機(jī)功耗比較
現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們的 Wi-Fi 芯片的性能稍低，在待機(jī)或睡眠模式下消耗接近 250μA?，F(xiàn)在添加TPS22915功耗降低 500 倍！通過節(jié)省電力，我們可以通過使用更小的電池來縮小終端設(shè)備，或者讓它們?cè)趦纱纬潆娭g持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。 
哪種負(fù)載開關(guān)適合我們？
選擇負(fù)載開關(guān)時(shí)，確保它具有適合我們應(yīng)用的正確額定值非常重要。密切關(guān)注最大電壓、最大電流和導(dǎo)通電阻（R ON）。在確認(rèn)負(fù)載開關(guān)的額定電壓和電流正確后，決定多少功率損耗（V=IR 壓降）是可以接受的。TI 提供多種負(fù)載開關(guān)可供選擇；該系列中的最新產(chǎn)品是TPS22915。TPS22915的典型 R ON為 38mΩ。對(duì)于 1.5A 負(fù)載，負(fù)載開關(guān)兩端的電壓降為 57mV (V=1.5A * 38mΩ)。將 3.3V、1.5A 施加到 V IN，V OUT將為 ~3.24V。
隨著負(fù)載電流的增加，負(fù)載開關(guān)的 R ON變得越來越重要，因?yàn)殡妷航蹬c電流成比例。這就是為什么TPS22915在 3.3V 時(shí)的 R ON比類似負(fù)載開關(guān)低 31% 很重要的原因。如果沒有TPS22915，V OUT將為 ~3.21V 而不是 3.24V。圖 3 比較了 V IN上的R ON。

圖 3：領(lǐng)先的 5.5V WCSP-4 負(fù)載開關(guān)在 V IN上的R ON比較