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。