采用运算放大器构建自动OR操作电源选择器

日期:2012-06-28

  作者:Bob Zwicker,ADI公司

  许多系统都必须在两个或两个以上的直流输入源之间进行选择,例如交流适配器、USB(通用串行总线)端口或片上电池。可以通过手动切换进行选择,不过最好使用自动切换。

  通常需要采用最高可用输入电压为系统供电。这一任务可以通过肖特基二极管OR(或)操作方案来实现(图1)。遗憾的是,肖特基二极管的正向压降范围为300至600 mV。这一电压会浪费功耗、造成发热,并降低系统可用电压。

  图1:肖特基二极管OR操作可从最高输入电压源为负载供电。

  高效电压OR操作只需要一个P沟道或N沟道MOSFET、一个合适的运算放大器和一些无源元件。这一设计理念描述了电压OR操作到正向直流供电轨的应用。P沟道MOSFET设计适用于工作电压3.3V或以上的低功耗单电源系统,N沟道MOSFET适用于总线电压较低或电流较高,且具有适当的运算放大器偏置电压的情况。

  N沟道FET设计中,正电流从MOSFET漏极流出。在P沟道设计中,电流从MOSFET源极流出。采用常用电流(用于开关或放大)的情况下,MOSFET的漏极体二极管可抑制整流器运行。

  首要设计任务是选择合适的MOSFET。MOSFET的最差导通电阻必须足够低,这样满载电流I×R(电流乘以电阻)压降才会足够低,从而实现设计目标。电流为5A时,0.01Ω的MOSFET具有50 mV的正向压降。务必考虑由R×I2产生的功耗,以及由此导致的温升。

  第二项设计任务是选择运算放大器。运算放大器必须能够在这些电压下工作,并且充分驱动MOSFET的栅级电压。P沟道设计需要轨到轨I/O类型。单电源运算放大器对N沟道设计而言已经足够。运算放大器的输入失调电压VOS是另一个重要考虑因素。总±VOS窗口电压必须小于MOSFET中的最大所需压降。例如,如果满载时允许10 mV的正向压降,则运算放大器应指定失调电压为±5 mV或更好。

  R1/R2、R11/R12和R21/R22构成了输入分压器,可将运算放大器输入偏置至略低于其控制的输入电压(图2和3)。该失调电压必须大于运算放大器的最大失调电压,以确保所有的量产运算放大器器件在施加反向电压时都能关闭MOSFET。在P沟道5V设计示例中,R1和R2可将反相运算放大器输入偏置到99.9%的输入电压或4.995V直流电压。处于稳定状态时,运算放大器通过导通MOSFET进行伺服,以将其它运算放大器的输入保持在相同电压水平,且处于运算放大器的失调电压容限内。采用理想0V失调运算放大器时,轻载电流只会使MOSFET产生部分增强效果,因此,电路可提供5 mV的MOSFET正向整流器压降。这种较弱的效果是R1和R2输入失调偏置唯一的不足之处。如果MOSFET电阻过高,无法在满载时维持5 mV电压,运算放大器就可以随着输出摆幅达到供电轨而全面增强MOSFET,OR操作电路可以提供MOSFET的全面增强导通电阻。

  图2:供电轨电压足够使运算放大器工作并驱动MOSFET栅级时,更常见的选择是采用P沟道MOSFET的MOSFET电源OR操作。

  图3:存在适当的运算放大器偏置电源时,采用N沟道MOSFET的MOSFET电源OR操作更适合低压供电轨

  可以将MOSFET的可变导通电阻视为运算放大器检测电流的元件。施加反向电压时,MOSFET会去除增强效果,I×R压降会增加,运算放大器的输出最终会到达合适的供电轨,对MOSFET起到充分减弱效果。

  在轻负载条件和给定失调电压情况下,运算放大器会将电源输出检测输入的电压伺服至电源输入检测输入的电压加上失调电压。R2开路的情况下,运算放大器没有意向外部失调。如果运算放大器的失调电压处于不利方向时,若输入电源总线电位降至低于输出电压总线,就会出现较大的反向截止电流。

  图4所示为工作区内的电流-电压测试数据。包括意向失调在内的整个设计产生绿色曲线。存在不利内部失调等效情况和不包括意向外部失调时,产生蓝色曲线。虽然绿色曲线在轻载情况时牺牲了一些正向压降,其正向压降仍始终小于满载最大值。意向失调可以避免MOSFET中出现较大的反相电流。该设计可以在0A电流跳变时进行切换,此时漏电流MOSFET的漏极体二极管很可能占主导地位。

  图4:绿色曲线所示为施加正确外部失调时的结果。蓝色曲线所示为运算放大器的内部失调处于不利方向且不施加外部失调时的结果。

  另一方面,蓝色曲线不施加意向失调,某些情况下允许存在较大的反相电流。该示例显示,电路关闭MOSFET前,MOSFET中存在大约100 mA的反向电流和2 mV的反向电压。P沟道和N沟道设计均已经过测试,P沟道设计已量产。

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