移動(dòng)產(chǎn)品應用中電源管理半導體技術(shù)的發(fā)展趨勢：今天的負載開(kāi)關(guān)

　　消費者總是追求更小巧、更輕薄及功能更豐富的便攜式電子設備，這是一個(gè)不爭的事實(shí)。這迫使消費產(chǎn)品公司不得不想辦法以滿(mǎn)足用戶(hù)幾乎無(wú)止境的欲望：“更小巧”、“更便宜” 、“效率更高” 、“更簡(jiǎn)單” 、“更易于使用”。然而答案并不新鮮，就是集成化。集成化是這場(chǎng)游戲的名稱(chēng)，它充斥在便攜式電子設計的每個(gè)角落。從簡(jiǎn)單的 MOSFET 開(kāi)關(guān)，到當前先進(jìn)的負載開(kāi)關(guān)，在最新的功率管理 IC中，這種集成化趨勢司空見(jiàn)慣。

　　集成集成集成

　　最終的好處十分清楚，也不是什么新概念，就是“設計簡(jiǎn)化”。功率管理 IC 中的這種集成化趨勢已帶來(lái)眾多優(yōu)勢，包括減少封裝數目、優(yōu)化功耗、提高系統穩健性、減輕設計工作量，以及降低成本。所有優(yōu)點(diǎn)又分別串接及相互結合，表現出更多的優(yōu)勢。例如，“封裝式解決方案”增加了功能性，又減少了元件數目，提高了系統的穩健性。這種單芯片解決方案減小 PCB 板空間，釋放以往用于系統保護的應用處理器負荷，并減少設計調試階段對設計工程資源的需求。它允許設計人員在自己的產(chǎn)品中集成新的功能，并通過(guò)節省處理器負荷、PCB 板空間和材料清單成本來(lái)實(shí)現。這些優(yōu)勢顯然可以滿(mǎn)足終端消費者的要求，而且封裝解決方案還能提高系統的容限和穩健性。

　　除了降低工作電壓和導通阻抗等基本性能的提升之外，最新一代技術(shù)更能為應用處理器提供反饋信息。新的產(chǎn)品開(kāi)始提供故障和診斷信息，讓?xiě)每刂破鞲玫仨憫踩托阅軉?wèn)題，并改善終端應用。

　　負載開(kāi)關(guān)集成化的演進(jìn)

　　最初，只有簡(jiǎn)單的功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)，只能提供最基本的保護功能，允許電源 (即電池) 與應用負載電路分離。其缺陷在于應用處理器，由于它的功率限制，不能直接驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)的門(mén)電路。該分立式解決方案必需添加單獨的驅動(dòng)器電路，這明顯增加了材料清單數量，從而要求更大的 PCB 面積，同時(shí)增加成本和總體設計工作量。

　　過(guò)去幾年間，器件制造商將門(mén)驅動(dòng)電路引入到功率開(kāi)關(guān)封裝內，解決了上述分立方案的問(wèn)題。這樣，PCB 板空間可以用來(lái)集成更多各種形式的功能。不過(guò)，增加額外功能的代價(jià)是更高的價(jià)格和工作量?，F在，當器件上電時(shí)，應用設計工程師就在負載和電源方面分別面臨兩個(gè)新的卻又彼此相關(guān)的問(wèn)題：瞬態(tài)過(guò)流尖刺和電壓暫降(voltage sag)。所以，新的問(wèn)題是，不僅電源仍需要與負載分離，功率信號也需要簡(jiǎn)單形式的調節以避免元件損壞和服務(wù)中斷。

　　器件制造商基于分立解決方案，在負載開(kāi)關(guān)中集成壓擺率 (slew-rate) 功能，以便應對這些挑戰。隨著(zhù)這種功能性的增加，進(jìn)行額外的電路保護勢在必行。局勢從“簡(jiǎn)單的”開(kāi)關(guān)向“第一道保護防線(xiàn)”發(fā)展。它應該是保護應用負載電路的第一道防線(xiàn)。負載開(kāi)關(guān)不僅應該連接電池和負載，還應當是保護應用負載電路從電池到所有裝置的第一道防線(xiàn)。

　　功能性？

　　負載開(kāi)關(guān)的主要作用是提供應用保護。它必須保護應用負載電路，保護從電池到USB 接口附件的各種資源，還必須具有自我保護功能。須謹記集成額外功能的價(jià)值已獲證為合理的。

　　自我保護

　　讓我們先從上述第三個(gè)作用談起，即自我保護?；谝苿?dòng)解決方案“性能對比尺寸”的價(jià)值建議，性能是一項特性，而尺寸是一項要求。在移動(dòng)解決方案領(lǐng)域，設備的熱性能一直是競爭差異所在。由于集成度的不斷提高，以及減小解決方案尺寸的壓力持續，熱性能成為器件設計的一個(gè)主要問(wèn)題。隨著(zhù)系統解決方案總體封裝尺寸日趨縮小，避免熱事故的發(fā)生成為一個(gè)明確的要求?，F有兩種設計策略可供采用。第一種是讓產(chǎn)品“穿上防彈衣”，能夠耐受終端應用遇到的任何事件。這種策略的弊病在于，由于預先定義，器件必然屬于保守設計 (over-designed)。這種“萬(wàn)能解決方案”往往不適合任何應用，效率低下，存在浪費，并且顯然與減小解決方案尺寸的目標相悖。

　　第二種策略則是滿(mǎn)足設計要求，通過(guò)整合一個(gè)保護功能來(lái)消除熱問(wèn)題。這種方法雖然更加復雜，但可以提供性能/尺寸和保護之間的平衡。這種熱關(guān)斷功能可控制門(mén)電路，在溫度超過(guò)過(guò)熱閾值時(shí)能夠斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，從而保護器件。一旦回到閾值之下，器件就重新啟動(dòng)。這種保護功能的增加可以簡(jiǎn)化應用設計工程師對其特定應用中負載開(kāi)關(guān)的評測，把設計要求減少為可以計量的功能集，并減小高估器件的可能性。

　　電源保護

負載開(kāi)關(guān)可用于各種不同應用，包括 USB 或存儲卡的接口保護，以及應用負載和電池或輔助電源接口的連接。正因為應用的多樣性，保護應用設備免受電壓和電流突發(fā)性變化所造成的損害成為一個(gè)重要問(wèn)題。我們已經(jīng)討論了壓擺率功能，可控制浪涌電流，盡可能減小電流尖刺和總線(xiàn)電壓暫降，那么，又該如何在低壓工作狀態(tài)保護應用設備呢？目前先進(jìn)的負載開(kāi)關(guān)可提供欠壓鎖定 (UVLO) 功能，當電壓過(guò)低時(shí)，這種功能可斷開(kāi)接口。欠壓鎖定的工作原理十分簡(jiǎn)單，就是在輸入電壓降至鎖定閾值以下時(shí)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)。

　　另一個(gè)重要的保護問(wèn)題是有關(guān)突發(fā)電流的處理。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)很少考慮電流的方向，但隨著(zhù)移動(dòng)平臺上的插入附件逐漸增多，在非預定/失控電流可能流經(jīng)錯誤的方向，從而對元件造成損害時(shí)，提供保護功能就變得至關(guān)重要。在這種情形下，比較先進(jìn)的負載開(kāi)關(guān)越來(lái)越多地整合“反向電流阻斷”功能，可以保護輸入源免受輸出端返流電流的損壞。在功能上，這類(lèi)似于在電源路徑上放置一個(gè)二極管，但不必犧牲效率。這在標準 USB 電源設計中相當重要，并可在有反向電流流經(jīng)的情況下保護 USB主機。

　　系統保護

移動(dòng)解決方案應用的融合在繼續增加，而且不僅是對電源電路產(chǎn)生影響。若用戶(hù)連接了一個(gè)不兼容的附件，設計工程師如何能夠防止似乎無(wú)窮無(wú)盡的潛在危險呢？前面描述了可利用反向電流阻斷功能來(lái)解決電流方向的問(wèn)題，但仍存在簡(jiǎn)單過(guò)流情況的潛在問(wèn)題。最新的負載開(kāi)關(guān)通過(guò)增加模擬控制器來(lái)解決這一問(wèn)題，并整合了過(guò)流保護 (OCP) 功能，可把電流限制在某個(gè)預定值上。由于把保護職責轉移到電源連接上，這里事件發(fā)生迅速，而保護電路可以更快地進(jìn)行響應，從而能夠避免過(guò)流尖刺引起的元件損害，最終提高系統設計的穩健性。這種解決方案還可減少軟硬件設計工作量，釋放應用處理器負荷。

　　除過(guò)流保護功能之外，還有另外兩種功能常用于在故障行為和恢復方法中提供靈活性。根據過(guò)流故障的原因，以及所需的響應，當檢測到故障時(shí)，可能需要立即判斷是硬故障還是嚴重的連接問(wèn)題。這提供了最大限度的保護，同時(shí)還確保中斷服務(wù)。第一個(gè)功能是消隱時(shí)間 (Blanking Time)，其定義了關(guān)斷之前的延遲時(shí)間。這一功能讓系統能夠忽略關(guān)斷之前的限流故障條件，從而提高系統的故障容限。它還可以實(shí)現故障自我修正和恢復，無(wú)需中斷服務(wù)。當然，也許最好的是永遠保持在限流模式下，不必糾錯和命令關(guān)斷。

　　一旦故障發(fā)生，設計工程師有兩個(gè)選擇來(lái)設置恢復方法。自動(dòng)重啟功能將重新初始化，并在預先設定的某一時(shí)間段之后閉合開(kāi)關(guān)。這種功能可以通過(guò)讓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)來(lái)確保最大限度的保護，而且由于無(wú)需用戶(hù)重啟，因此盡可能地減少系統中斷。如果沒(méi)有自動(dòng)重啟功能，用戶(hù)可能需要重新開(kāi)機以清除故障。

　　自簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，負載開(kāi)關(guān)經(jīng)歷了很長(cháng)的發(fā)展路程，現在它不僅能夠提供關(guān)鍵的功能，還為消費電子設計工程師帶來(lái)許多改進(jìn)措施。隨著(zhù)額外保護功能的增加，這也正是集成化的特征，我們現在看到一種趨勢，即負載開(kāi)關(guān)不僅提供功能，還可提供反饋至應用處理器的相關(guān)信息。我們將在下又進(jìn)一步探討這個(gè)問(wèn)題。

　　功能性的下一步發(fā)展--> 提供信息

　　至此，我們已經(jīng)討論了負載開(kāi)關(guān)從簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)到日趨復雜的功能集成級別的發(fā)展歷程。下一個(gè)趨勢很可能是提供信息。雖然負載開(kāi)關(guān)不能告訴應用控制器事件發(fā)生的原因 (‘Why’)，但卻可以提供有關(guān)事件發(fā)生內容的信息 (‘What’)。

　　盡管這還只是初始階段，現在的負載開(kāi)關(guān)能夠提供有助于決策制定的信息，例如，若負載開(kāi)關(guān)通知應用處理器，因過(guò)流故障已關(guān)斷，而應用控制器知道這個(gè)負載開(kāi)關(guān)連接到 USB 端口，那么，應用處理器就可以推斷有一個(gè)不兼容的器件被連接。知道了這一點(diǎn)，控制器就可以選擇適當的替代算法來(lái)執行，或者是請求用戶(hù)干預。雖然并沒(méi)有提供大量信息，但已有可能把客戶(hù)的不滿(mǎn)減至最少，改善總體體驗，同時(shí)完成主要的保護作用。

　　除了故障信息之外，還有可能提供輸入電壓的評測信息。如果存在輸入電壓，就表示有器件連接。了解到這一點(diǎn)，而且若一切看起來(lái)均正常，該信息可用于觸發(fā)其它事件。這一信息可讓?xiě)锰幚砥鞲玫亓私庹诎l(fā)生什么，并能夠進(jìn)行適當的響應。

　　結語(yǔ)

　　本文回顧了負載開(kāi)關(guān)的主要發(fā)展歷史，并介紹了其在功能方面的最新成果。有一點(diǎn)至關(guān)重要，而這里并沒(méi)有討論到的是：我們必須認識到，包括硅技術(shù)和先進(jìn)封裝開(kāi)發(fā)的支持技術(shù)是實(shí)現這些趨勢和功能性水平的關(guān)鍵使能因素。在任何情況下，對于豐富的新型消費電子產(chǎn)品及其附件，負載開(kāi)關(guān)顯然起著(zhù)重要的電路保護作用。