如何用智能MOSFET提升醫(yī)療設(shè)計可靠性及性能？
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中心議題：
本文引用地址：http://2s4d.com/article/201706/349994.htm- 電池應(yīng)用中負(fù)載開關(guān)的演變
- 智慧型MOSFET技術(shù)
解決方案：
- 醫(yī)療用智慧型MOSFET解決方案
所 有關(guān)于醫(yī)療應(yīng)用的產(chǎn)品在要求高可靠性的同時，仍然需要提供終端用戶想要的新技術(shù)與功能。由于各醫(yī)療設(shè)備公司及其最終應(yīng)用間的競爭愈來愈激烈，功能急劇增 加，但是并未考慮到另外一個可能帶來產(chǎn)品失敗的因素。所有這些因素都與電源有關(guān)，而且重要的是我們需要採用最新的技術(shù)來使風(fēng)險最小化。
智慧型MOSFET是這些促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的因素之一，且其普及性一值增加。由于標(biāo)準(zhǔn)P溝道（P-channel）FET的驅(qū)動要求簡單，它常常被用于轉(zhuǎn)換電源 分配節(jié)點(diǎn)、連接充電路徑、連接器熱插拔、直流電流等等。因為這些元件處于關(guān)鍵路徑中，其失效會讓下游的感測器或處理器失去作用，因而對可靠的功率開關(guān)進(jìn)行 投資，便成為一明智的作法。相較于等效的P溝道∕N溝道組合方法，Intellimax FET整合了P溝道FET和邏輯級驅(qū)動器，以便簡單控制這個已經(jīng)減少的Rdson FET。為讓可靠性增加，這些元件整合了ESD保護(hù)、熱保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)，以及反向電流阻斷。所有這些都為醫(yī)療應(yīng)用帶來了更高的價值和更高的 可靠性。
下文將介紹負(fù)載開關(guān)的技術(shù)和其存在于當(dāng)前電源架構(gòu)中的塬因。它的應(yīng)用案例將在實(shí)驗室範(fàn)圍呈現(xiàn)。我們將討論小于6V的應(yīng)用，可充電的可攜式醫(yī)療應(yīng)用應(yīng)該可以從中受益。本文也將討論快捷半導(dǎo)體最新技術(shù)進(jìn)展所實(shí)現(xiàn)的全新40V智慧型FET應(yīng)用，將提供具有價值的分析結(jié)果，展示智慧型FET是如何成為醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中智慧 化發(fā)展的趨勢。
電池應(yīng)用中負(fù)載開關(guān)的演變
從 電池被導(dǎo)入到電子產(chǎn)品中開始，對于電源隔離的需求就一直存在著。導(dǎo)入電池作為一種行動電源，意味著在使用期間電池將會不停的充放電。顯然地，設(shè)計的節(jié)能特 性會直接影響正常使用和充電之間的時間。在最近這幾年，電池技術(shù)并沒有出現(xiàn)任何大幅度的改進(jìn)，未來也還看不到有任何重要的突破。因此需要仰賴積體電路 （IC）技術(shù)遵守嚴(yán)格的功耗規(guī)格來延長設(shè)備的工作時間。
在 我們討論負(fù)載開關(guān)之前，需要先檢視一下電池技術(shù)、電池上的負(fù)載、以及負(fù)載開關(guān)的要求。在固定的充電條件下，如果所有電流消耗路徑都已知，要估計電池壽命可 以相對簡單的。普遍的情形是并非100mA電流的受控工作週期（controlled duty cycle）感測器單獨(dú)影響功耗，而是許多小于1mA且始終連接的漏電槽在緩慢地消耗能量。必須把這些漏電槽粗略地加到功率公式當(dāng)中，然而，更困難的是， 當(dāng)給定的功能或感測器啟用時，會發(fā)生瞬態(tài)峰值。這些尖峰值的幅度和週期會受到監(jiān)測，用來作為能量計算，通常為一次峰值結(jié)果與尖峰數(shù)量相乘。
在所有常規(guī)負(fù)載已知后，就可以直截了當(dāng)?shù)赜嬎愎ぷ鲿r間。目前，電池按mAh的標(biāo)度來計算，而非先前的庫侖，也就是1000mAh的電池在其標(biāo)稱電池電壓下可以提供一小時1A電流或10小時100mA電流。
電池工作時間（h）=電池額定值（mAh）∕總體電流消耗（mA）
當(dāng)工作電流被分配在以浪涌電流（例如1500mA）工作100ms，以及以連續(xù)電流（例如20mA的LED指示器）工作剩余的時間時，對于這段時間的平均電流可以進(jìn)行線性計算。
每小時平均電流＝（1.5A×0.100s∕3600s）＋（0.020A×3599.9s∕3600s）＝20.04mA
用 此時域中耗電的概念來看，可以快速瞭解到負(fù)載開關(guān)可以用于隔離連續(xù)，但較小的電流消耗。短期間的尖銳脈衝并非是罪魁禍?zhǔn)?，如果不隔離，數(shù)以百計的uA級電 流消耗合計會達(dá)到mA的水準(zhǔn)。此轉(zhuǎn)換將帶來軟功率爬升（soft power ramps）的重要性，尤其是當(dāng)電源被使用到下游IC，來減少在脆弱的mAh電池額定值上所不想要有的大電壓尖峰時。
關(guān) 于涌浪和穩(wěn)定功耗的影響，我們可以獨(dú)立出來討論。這些對電池的影響會隨電池化學(xué)成分和浪涌功耗間的時間而差別很大。一個普遍的觀念，相比較輕而持續(xù)的負(fù) 載，合理比例的浪涌可以帶來更長的電池壽命。要瞭解這方面的具體情形，請洽詢電池供應(yīng)商。電池組的電壓隨著電能消耗而下降也未討論。在基于純電流的上述公 式裡，我們假設(shè)電壓Vbatt是恒定的。而且，這取決于電池所使用的技術(shù)。對于鹼性塬電池（不可充電），Vmax為1.5V，在大多數(shù)情況下，這裡的 Vmin假設(shè)為0.9V。可充電單節(jié)鋰電池Li-ion電池的標(biāo)稱狀態(tài)電壓為3.7V，然而可以充電至最大4.2V，而且仍然可以降落到2.5至3V的最 低電壓Vmin，這對實(shí)際充電具有較大的影響。
理 解了實(shí)際電流消耗是如何耗盡電池電平，我們現(xiàn)在可以研究不同的方法來隔離下游耗電。將會用到高側(cè)（high side）和低側(cè)（low side）開關(guān)等這些詞匯。高側(cè)意味著開關(guān)將處于工作電平（rail）電路中且實(shí)際上電流由源極流至負(fù)載，通過接地電路返回。低側(cè)開關(guān)則在負(fù)載的對面且使 電流流向接地電路。
將 此簡單的開關(guān)塬理應(yīng)用到普通的FET類型上，圖1顯示了基本的N溝道和P溝道MOSFET對于負(fù)載隔離的性能表現(xiàn)，每種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。從PN結(jié)截面圖 像開始，我們可以快速說明截面b有如高側(cè)的P溝道。N溝道用來驅(qū)動閘極以簡化邏輯輸入控制。塬理圖b的缺點(diǎn)是，假如負(fù)載電壓高于電池電壓，能夠給體二極體 施加正向偏置。通過在高側(cè)使用雙P溝道FET，塬理圖c解決了這個缺點(diǎn)，這是一個用于主電平的非常普通的電池隔離方法。
為 什么N溝道FET無法用于高側(cè)開關(guān)呢？N溝道FET的教科書上的特性就是能夠啟動開關(guān)并使其處于線性區(qū)域，根據(jù)資料表（Datasheet）的閾值電壓， 閘電壓必須超過漏電壓。因為在電池應(yīng)用中的主電平通常為可用的最高電平，必須採用自舉或隔離式驅(qū)動的方法。這會帶來額外的成本，然而，此N溝道高側(cè)開關(guān)方 法對于較大電流應(yīng)用是必須的。視電壓範(fàn)圍而定，N溝道的Rdson可減少20～50％。除了由于Rdson所引起的損耗外，較高的電壓，也就是高于 200V，使得P溝道FET要么成本高昂，要么完全由于技術(shù)限制而無法提供。
智慧型MOSFET技術(shù)
對于大多數(shù)應(yīng)用，傳統(tǒng)的負(fù)載開關(guān)是有效的，但本文的討論將僅專注于醫(yī)療應(yīng)用。這些設(shè)備需要極高的可靠性，并且在大多數(shù)情況下是不可重復(fù)充電的，因此要認(rèn)真研究功耗和隔離。
快捷半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品組合能夠滿足智慧型MOSFET的功能性要求。圖2顯示了其標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部方塊圖，雖然基于所需要的特性，它會根據(jù)設(shè)備而 有所不同。此圖以P溝道為基礎(chǔ)，高側(cè)電路位于Vin和Vout間。引腳數(shù)量已減至最少，以便讓封裝尺寸保持愈小愈好。而涉及到封裝方面，這些元件可以採用 小至1mm×1mm的晶片級封裝（Chip Scale Packaging，CSP），或者採用廣為使用中的無引線uPak封裝，也稱為MLP。對于塬型（protype）的需要及空間限制較少的設(shè)計而言，也 可以使用SC70、SOT23和SO8。
智慧型MOSFET的工作電壓Vin根據(jù)它們的製造製程而不同。對于快捷半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品線，推薦的工作電壓範(fàn)圍為從0.8V至5.5V。 本文中隨后將探討高壓智慧型FET。請注意輸入電壓和控制電壓間的差異是非常重要的。輸入電壓Vin是用于高側(cè)負(fù)載開關(guān)的實(shí)際額定值。在圖2中標(biāo)記為ON 的控制電壓電平，是開啟負(fù)載開關(guān)所需要的電壓數(shù)值。圖3取自Intellimax FPF1039資料表，顯示了開啟整合P溝道FET所需要的實(shí)際Von電壓，因為它與Vin電源電壓有關(guān)。
資 料表中的規(guī)格增加了針對製程、電壓和溫度變化的緩衝，表明Von必須超過1.0V來開啟開關(guān)，并且必須低于0.4V來關(guān)閉開關(guān)。這帶來了非常簡單的驅(qū)動電 路，可以直接連接至微處理器。此Von規(guī)格隨元件而不同且可能不一定會如圖3那樣平坦。不要停留在資料表中顯示靜態(tài)閾值電平的那一行；可以參照曲線來瞭解 全部詳情。
如 上所述，此邏輯電平Von使功能介面易于連接至微處理器，但熱關(guān)斷和過電流保護(hù)（over current protection，OCP），也能通過Flag引腳而介接良好。此特性并未整合在如FPF1039的最小Intellimax解決方案中，因而我們轉(zhuǎn) 而採用FPF2303。此雙輸出負(fù)載開關(guān)能夠驅(qū)動1.3A負(fù)載，具有先前提到的所有特性，而且還包含F(xiàn)lag特性和反向電流阻斷。Flag是一個漏極開路 邏輯電平，能夠直接與處理器上的狀態(tài)引腳相連接。反向電流阻斷如傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)圖中所示，但需要雙MOSFET的方法?？旖莅雽?dǎo)體的專有方法將此整合到P溝 道中，并且在IC內(nèi)作為一個額外的功能而無需外部元件。假如發(fā)生了開關(guān)負(fù)載側(cè)的電勢高于電池側(cè)的狀況，則必須具備反向電流阻斷特性。這會發(fā)生在系統(tǒng)具有多 個初始電壓相同的電池，或發(fā)生在電壓尖峰期間。大體積電容器也有提供delta值的傾向。
對 于負(fù)載開關(guān)，經(jīng)常被忽視的規(guī)格就是ESD額定值，因為過去大多數(shù)的MOSFET并未將ESD保護(hù)整合在內(nèi)。最近，ESD保護(hù)已被加進(jìn)離散的P溝道 MOSFET，它們在其中只是作為具有成本效益的負(fù)載開關(guān)。這以FET閘極上的背對背齊納（back to back zener）二極體箝位的形式出現(xiàn)。這增加了閘極的電容量，使它不太可能成為開關(guān)應(yīng)用（馬達(dá)驅(qū)動、電源等等的候選方案，但在增加2K HBM （Human Body Model，人體放電模式）齊納二極體的情況下，可使閘極更加牢固。Intellimax甚至更進(jìn)一步，在智慧型FET中整合了ESD結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到雙倍 的ESD額定值至4KV HBM。ESD未來還可更進(jìn)一步的改善。對于醫(yī)療應(yīng)用，ESD是重要的特性，因為線路板在裝配室間常常是無包裝運(yùn)送的，以完成在塑膠膠殼以及密封外殼中的 佈置。對于與ESD相關(guān)失效，每個運(yùn)送點(diǎn)都有潛在風(fēng)險，尤其是在引腳和連接器從線路板上連接至電池或中間夾層時。
我們應(yīng)該更進(jìn)一步鉆研的下一代智慧型FET的特性是當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時會發(fā)生什么？採用離散P溝道的傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)可以完全關(guān)閉并連接輸入至輸出，不管是重負(fù)載還是 大電容載入在輸出腳上。如果這種情況發(fā)生，通常初級端輸入電平會顯示電壓突降，它可能影響與偏置電平相關(guān)聯(lián)的精密類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）或感測器。在過 去，電阻/電容（R/C）網(wǎng)路添加至閘極以降低開啟速度，但這會增加專案的設(shè)計時間和規(guī)模。Intellimax支援轉(zhuǎn)換速率控制特性，藉著在輸入端限制 浪涌電流，可使電平中斷最小化。圖4顯示了此方案在實(shí)證研究的實(shí)驗室測試中的一個例證。注意，左邊為採用傳統(tǒng)P溝道方法對Vin電平的影響，右邊的則是 Intellimax器件的影響。
不利事件發(fā)生時要求從輸入斷開負(fù)載以防止更進(jìn)一步的損壞，這是解決可靠性問題的主要考慮因素。過去的傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)非常簡單且并不提供電流保護(hù)或熱保護(hù)?？梢?增加電流保護(hù)，但這將增加一些外部元件并要求對被動元件有更精確的選擇公差?？偠灾粍臃绞侥軌蛟谧銐蚨痰臅r間內(nèi)作出反應(yīng)，以防止下游損壞嗎？熱感測 就是在類似的比較基礎(chǔ)上應(yīng)用的。
過流和過熱關(guān)斷事件的細(xì)節(jié)隨設(shè)備而不同。雖然某些關(guān)斷是即時的，并要求電源週期重新連接至負(fù)載，其它狀況則是在確信溫度和電流大小是安全的情況下，經(jīng)過重試 模式不斷地嘗試重新接通。在仔細(xì)檢視資料表后，可以在設(shè)備選擇上消除任何困惑。對于Intellimax器件的熱關(guān)斷，通常大多數(shù)IC，并不依賴這個特性 作為常規(guī)作法。也就是說，在正常使用中，如果預(yù)期會發(fā)生熱事件，應(yīng)該使用單獨(dú)溫度感測這一常規(guī)做法。依賴連續(xù)的過熱關(guān)斷可能會降低IC的性能。
如 果偵測到會發(fā)生過流，可以在IC工廠內(nèi)預(yù)設(shè)閾值電平。也可以在某些智慧型負(fù)載開關(guān)中，採用電阻接地的方法在外部設(shè)定該電平。而大多數(shù)都具有短路保護(hù)，最新 增加的方法是，在特定的電流斷開方面採用顯著改進(jìn)的容差，範(fàn)圍從100mA到2A。在短短的幾年裡，電流檢測容差已經(jīng)從30％降至10％的準(zhǔn)確度。當(dāng)選擇 閾值電平時，注意最小和最大規(guī)格可以根據(jù)製程、電壓和溫度而變化。電流的動態(tài)範(fàn)圍比較大，因而難以提供精確的和一致的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。當(dāng)接近檢測點(diǎn)時，對非常緩慢 的電流爬升作出反應(yīng)也是困難的。假如精確的電流感測和負(fù)載斷開是很重要的，有可能對輸出增加少量電感。這將「緩衝」電流di/dt的變化，允許智慧型 FET更準(zhǔn)確地感測delta值。電感的大小將直接反映電流轉(zhuǎn)變的敏感性。在發(fā)生過電流事件后，智慧型MOSFET的每個系列的反應(yīng)不同。某些完全斷開， 其它的則採用預(yù)設(shè)步驟緩降電流，而某些甚至在最安全的可承受電流限制上提供一個固定電壓輸出。請在選擇元件時密切注意這個規(guī)格。
智慧型MOSFET規(guī)格比較
在 討論了優(yōu)點(diǎn)之后，當(dāng)選擇智慧型MOSFET時，什么是必須嚴(yán)密評估的可能缺點(diǎn)或敏感規(guī)格？關(guān)鍵在于智慧型FET內(nèi)的智慧功能。當(dāng)然，電源必須被用來感測電 流并驅(qū)動高側(cè)開關(guān)。這會寫在資料表的靜態(tài)電流規(guī)格中，它是在IC內(nèi)所使用的有效電流，可校驗和驅(qū)動負(fù)載開關(guān)。對于快捷半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品 線，此規(guī)格最小低于1μA。對于那些尋求最長電池壽命的應(yīng)用，還必須嚴(yán)格比較所列的漏電流。
在比較智慧型FET時，或許在所評估的資料表中最常用的資料與普通離散MOSFET資料表上同樣關(guān)注的資料是相同的。高側(cè)FET的導(dǎo)通電阻，被稱為 Rdson，是用來計算穿過負(fù)載開關(guān)的損耗的關(guān)鍵數(shù)字。此Rdson將基于輸入電壓而變化，因為相同的Vin被用于驅(qū)動高側(cè)FET，因而把Ron作為用于 特定應(yīng)用的目標(biāo)資料是實(shí)際的。當(dāng)應(yīng)用將實(shí)際工作于50％時，Vin常常用于計算最低Ron，因而不要在兩個資料表中比較絕對最低的Rdson?；诖艘?Ron值，如果負(fù)載需要的電流是已知的，可以計算FET兩端的損耗。對于Intellimax，Rdson的範(fàn)圍可以從20歐姆到200歐姆，取決于特性 和封裝尺寸。
另一個有時會被忽視的資料表細(xì)節(jié)就是高側(cè)FET的最大電壓。為了讓Rdson最低，Intellimax產(chǎn)品線限制了輸入電壓至6V。這對于電池供電的應(yīng)用 是完美的，無論是3.7V可充電電池還是AA電池組。由于手機(jī)的廣泛應(yīng)用，3.7V單節(jié)鋰離子電池組在可攜式醫(yī)療應(yīng)用中正變得非常普遍。然而，醫(yī)療應(yīng)用可 能還要求液壓泵或風(fēng)扇在脫離核心電池組的電壓下工作。這裡最普通的電池為雙重或叁重堆疊可充電電池，使電壓達(dá)到8V到12V。在過去，離散MOSFET在 這些電壓電平下使用。新的開發(fā)成果已使智慧型FET達(dá)到更高的電壓。
快捷半導(dǎo)體的AccuPower系列整合式負(fù)載開關(guān)基于絕對最大40V、推薦的36V的製程，這是中等電壓應(yīng)用中很大的技術(shù)飛躍。首個IC將採用100歐姆 技術(shù)，具有Intellimax系列所支援的相同特性，但也將包括可調(diào)節(jié)的電流限制和供電良好（Pgood）引腳。因為較長的電壓爬升，負(fù)載應(yīng)該在36V 電壓，Pgood功能將提示微處理器輸出端可接受的電平水準(zhǔn)。可調(diào)節(jié)電流限制開啟了醫(yī)療應(yīng)用。AccuPower器件可以用于驅(qū)動DC電磁閥、風(fēng)扇、泵等 等。即使電池電壓在12V，穿過動態(tài)繞組負(fù)載的L di/dt電壓尖峰將輕易超過12V擊穿電壓或甚至離散FET的20V擊穿電壓。36V擊穿電壓支援這些採用12V和可能的24V電池電壓的負(fù)載類型?，F(xiàn) 已可供應(yīng)支援這些電壓水準(zhǔn)的FPF2700元件。
醫(yī)療用智慧型MOSFET
在回顧了電池技術(shù)以及從傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)到智慧型FET負(fù)載開關(guān)變遷的最新情況后，我們可以看到醫(yī)療應(yīng)用是如何受益的，然而所感知的價值可能有所不同?？蓴y式醫(yī) 療設(shè)備重視電源和負(fù)載的斷開，以期延長電池壽命。然而，正如我們所討論的，在開關(guān)斷開后究竟會發(fā)生什么情況也是一樣重要，甚至更為重要。在浪涌電流或過電 流發(fā)生時，電源調(diào)節(jié)為更高電流應(yīng)用增添了立即的可靠性。
不管應(yīng)用為何，負(fù)載隔離點(diǎn)的發(fā)展趨勢繼續(xù)演變，并且智慧型MOSFET可以協(xié)助實(shí)現(xiàn)更高的性能和更高的可靠性。如果要保持醫(yī)療應(yīng)用對于競爭對手的優(yōu)勢，要求 快速實(shí)施一系列功能。傳統(tǒng)P溝道FET將繼續(xù)用于簡單的開關(guān)，但當(dāng)可靠性和上市時間成為產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)時，就不可忽視智慧型MOSFET技術(shù)的最新進(jìn) 展。
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