然而，傳統的機電繼電器並不適合當成負載切換器，保險絲的安全裝置也非萬能，但是固態電源切換器卻是通用的解決方案。由於體積小巧的固態電源切換器，可以納入到任何電子產品中，例如穿戴式裝置、物聯網裝置。
負載切換器潛在優勢
最新智慧裝置提供許多周邊裝置功能，並提升待機功率。負載切換器能以降低關機電流的方式來減少待機功率，而且負載切換器通常提供許多其他潛在優勢。像是電源排序在嵌入式設計中的重要性日漸增加。這涉及向單一個積體電路進行供電或斷電的順序，以穩定進行啟動和斷電。電源切換器在使用電源排序時也很有用，這可能需要管理由同一電壓匯流排供電之周邊裝置的添加方式。
限制電流為另一種單獨執行的功能，可避免大電容負載所引起的湧浪電流，影響電源的穩定性；另外，功率限制是部分整合式裝置上的一項功能，並非標準做法；再者，要求裝置提供超過其設計的電流或電壓，就會出現過流/過壓保護，進而影響電源的穩定性，也非大多數積體電路的標準功能。此外，如果使用USB等物理介面，也需要考慮過流和過壓保護，則可以避免意外事件損壞系統。
執行功能是防止故障，往往要靠電源設備來負責執行。舉例來說，穩壓器通常具有過流/過壓保護功能、熱關斷和短路保護功能。當使用分散式負載點電源的情況增加，卻無法在電路板上的每個裝置搭配一個專用的穩壓器，此法只能提供有限的保護能力，並且在穩態運作期間，裝置無法完全關閉穩壓器。
分離式負載切換器用途
以分離式裝置來執行上述的所有功能，或是建立可使用閘極控制的電源樹，以減少穩態下使用的功率，但加入安全功能需要使用大量額外的元件，因此增加物料清單(BOM)成本、印刷電路板(PCB)尺寸和設計工作量。
以使用分離式電晶體的高壓側電源切換器為例，圖1顯示如何做到這一點，同時也強調設計上造成的潛在難處。首先，是為了減少Q1處於OFF或移除Vin時，出現反向電流的風險，因此，輸入電容Cin需要顯著高於等效負載電容Cout。這可能需要在PCB上實際分布大電容。Q1的P通道金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)提供功率路徑切換器，在選擇時需要考慮到系統要求，尤其是它所帶來的電阻和熱管理要求。為了限制電源通路處於導通狀態時的湧浪電流，將Q2驅動MOSFET當成高電平工作的電平轉換切換器，並與RSR和CSR一同控制Q1的導通速度。
使用負載切換器時，需考慮其他的設計因素。許多已發展成熟的傳統設計，在最初開發可能未考慮負載切換器，除此之外，較新的設計也可能沒有考慮採用。通常負載會有一個相當大的等效電容，需要控制壓擺率以避免輸入電壓下降；然而，將會對使用負載切換器帶來的諸多優點，產生負面影響，如電源排序。
而為了盡量快速有效消除負載中儲存的電荷，必須進行主動負載放電的過程；對此，現代的整合式負載切換器將提供這項功能。
反向電流阻隔是另一個比較新的相關情況，同樣必須加以管理。如果一個pMOS電晶體的輸出電壓高於輸入電壓，將允許反向電流流過內接二極體。背對背使用兩個P通道MOSFET可以避免這種情況。此舉卻又會增加總功耗，且增加一倍的元件數量。使用整合式的負載切換器，只要用一個MOSFET就能做到反向電流阻隔，毋需用到導通電阻或增加尺寸。這在功耗和小尺寸方面可以帶來很大的好處。
在專用裝置中經常看到過流/過壓保護等其他電源管理技術。這種程度的保護措施，好處是超出了電源軌的範圍，尤其是在USB埠等經常新增或移除周邊裝置的產品應用中。雖可適度加入保護，但這可能很快就會變得過於複雜和昂貴，而無法保護多種產品。
自恢復保險絲是一種簡單的過流保護方法，但是無法提供控制通斷時間，或反向電流阻隔等功能。按照主動半導體裝置的標準，被動自恢復保險絲的回應時間很慢。除非安裝具有(固定)參數的裝置，否則無法使用自恢復保險絲調整電流限制。此外，當線路發生短路或過載時，自恢復保險絲就無法判斷。
如果只是要對過、欠電流/電壓的情況提供連接埠保護，使用負載切換器是一個彈性且具擴充性的解決方案。整合式負載切換器可以提供上述功能，其取代執行一系列安全功能所需大部分的分離式裝置，加入電源切換器後，帶來了更多好處。
整合式負載切換器減少設計難題
負載切換器(圖2)是一款採用固態技術的切換器，會在一段可定義的時間於不同狀態之間轉換，且跟任何採用電晶體技術的電平變化一樣，切換時間稱為壓擺率。當在純粹的機械切換器與電磁繼電器中，一開一關會引起電弧和電流突波。許多負載切換器設計為可以調整壓擺率，以便控制後續的突波，而在負載有較大的等效電容時，此舉特別有效。
控制壓擺率是在選擇整合式負載切換器時，需要考慮的關鍵特性之一。其他參數包括一個可程式設計的電流限制，以及發生過流情況時的一些控制項。這種功能通常包括多種模式，例如要重啟電源才能重設的閂鎖模式；在重新連接前將負載隔離一段時間，且能重複進行，直到清除故障的自動重啟模式；以及降低電源電流，直到清除故障的限流模式。同樣地，還加入欠壓鎖定功能，也就是輸入電壓掉到預定的限度以下時，便會啟動負載切換器，這是一種在電源電壓突然下降時維持控制系統的有效方法。系統工程師也喜歡以主機處理器可辨識的方式來因應故障。通常這是一個簡單的開漏輸出，在進入故障模式時會拉低接腳。
由於控制模組和電源模組有著不同的最低工作電壓水準，欠壓鎖定(UVLO)功能確保裝置可以在已知區域內順利運作，能讓系統運作更為穩定。要是電源電壓太低，MOSFET便無法完全導通或斷開，可能造成邏輯電路按照錯誤的帶隙參考電壓，產生錯誤的控制訊號。這也是建議在資料中選擇適當Vin範圍的原因，以保證裝置正確運作。
停用裝置時可以使用主動輸出放電或快速輸出放電(QOD)功能，主動對輸出電容進行放電。在具有大輸出電容的設計中，可以用於控制時脈或順序。還能清除輸出節點的任何未知狀態。如果輸出連接到電池等電源，此功能可能會造成大量漏電，因此此時不應使用。
在不犧牲導通電阻的情況下，使用一個能夠控制內接二極體的低電壓pMOS來執行反向電流阻斷(RCB)功能。限流功能使用未與pMOS電晶體串聯之電流傳感電阻器的電流鏡電路。一個與Iout成正比的感測電流，通過一個外部電阻形成一個電壓降。在出現過流(OC)事件時把這個當成回饋來調節輸出電流。發生OC時，最好有較快的OC回應時間，回應時間通常為數十微秒。
時間消隱和抗尖峰脈衝電路也與故障標誌一起使用，以避免由雜訊尖峰引起的任何不必要系統中斷情況。非栓鎖或恆流模式代表了可能使用的過流限制模式之一，其限制了輸出電流，直到消除了造成過流事件的原因，或是啟動了熱關斷。故障標誌輸出在這裡可以派上用場，這能讓系統辨識出發生了異常問題，且負載切換器已對其做出回應。其通常使用一個帶有一些外部偏壓和一個上拉電阻的開漏輸出。如果發生了OC、RCB或熱關斷事件，便會顯示標誌。
熱關斷功能可以保護裝置不會在限流模式下，因高功率耗散造成的過熱情況而損壞。建議在特定的工作溫度範圍內運作裝置。需要估計正常情況下的接面溫度與最大系統工作溫度，以確保不會錯誤觸發熱關斷功能。
負載切換器應用範例
如圖3所示，負載切換器可以用在多種產品應用上，根據所選擇的裝置類型提供上述功能的組合。例如上述的整合式電源切換器是一款28V額定固定式過壓保護切換器，在CSP封裝中整合了100V TVS。經過最佳化調整且外型較小的AP22953保護5V系統免受過壓和湧浪事件的影響。
在這個產品應用範例中，該裝置提供具有內部可控壓擺率的高側負載切換器，以減少啟用下游系統時的湧浪電流或輸入電壓降，而使用了多個AP22913和AP22908負載切換器。AP22913與AP22908具有較低的靜態電流和關斷電流，有助於延長電池運作時間。裝置處於待機狀態時，會用負載切換器來減少周邊裝置與子系統的待機電流，控制對較大負載的供電。此時使用可調節的精密限流負載切換器AP22653保護系統免受過流或短路的影響，通常是在USB和HDMI連接埠等實體介面與指紋感應器模組。針對5V/2.1A的USB電源路徑進行最佳化的AP22653，具有反向電流阻斷功能。輸出能力為28V的可調式限流電源切換器AP22615，對供電給智慧鍵盤等專用配件一事進行了最佳化，同時防止短路或過壓事件損壞系統。
在運算、伺服器和儲存系統電源軌等產品應用中，例如3.3V或5V需要將主電源分為多個域，又要有獨立控制的能力，此時可以使用雙通道負載切換器AP22966。如同前述，AP22966可以做到輸出放電，並且獨立控制兩個通道的壓擺率。
切換器整合多功能滿足系統要求
最新的電源切換器不僅提供壓擺率控制這項基本功能，還有提供欠壓鎖定、電流限制、過壓保護、反向電流阻斷、熱關斷、有源輸出放電等智慧功能，體積較小。完全整合式電源切換器滿足系統要求，眾多的產品組合可以減少設計工作，加快產品上市時間。
(本文作者任職於Diodes功率介面與音訊(PIA)專業單位)
