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

消費(fèi)者總是追求更小巧、更輕薄及功能更豐富的便攜式電子設(shè)備，這是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。這迫使消費(fèi)產(chǎn)品公司不得不想辦法以滿足用戶幾乎無(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，它充斥在便攜式電子設(shè)計(jì)的每個(gè)角落。從簡(jiǎn)單的 MOSFET 開(kāi)關(guān)，到當(dāng)前先進(jìn)的負(fù)載開(kāi)關(guān)，在最新的功率管理 IC中，這種集成化趨勢(shì)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)化”。功率管理 IC 中的這種集成化趨勢(shì)已帶來(lái)眾多優(yōu)勢(shì)，包括減少封裝數(shù)目、優(yōu)化功耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)健性、減輕設(shè)計(jì)工作量，以及降低成本。所有優(yōu)點(diǎn)又分別串接及相互結(jié)合，表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì)。例如，“封裝式解決方案”增加了功能性，又減少了元件數(shù)目，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)保護(hù)的應(yīng)用處理器負(fù)荷，并減少設(shè)計(jì)調(diào)試階段對(duì)設(shè)計(jì)工程資源的需求。它允許設(shè)計(jì)人員在自己的產(chǎn)品中集成新的功能，并通過(guò)節(jié)省處理器負(fù)荷、PCB 板空間和材料清單成本來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些優(yōu)勢(shì)顯然可以滿足終端消費(fèi)者的要求，而且封裝解決方案還能提高系統(tǒng)的容限和穩(wěn)健性。

除了降低工作電壓和導(dǎo)通阻抗等基本性能的提升之外，最新一代技術(shù)更能為應(yīng)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，讓應(yīng)用控制器更好地響應(yīng)安全和性能問(wèn)題，并改善終端應(yīng)用。

負(fù)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(hù)功能，允許電源 (即電池) 與應(yīng)用負(fù)載電路分離。其缺陷在于應(yīng)用處理器，由于它的功率限制，不能直接驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)的門電路。該分立式解決方案必需添加單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器電路，這明顯增加了材料清單數(shù)量，從而要求更大的 PCB 面積，同時(shí)增加成本和總體設(shè)計(jì)工作量。

過(guò)去幾年間，器件制造商將門驅(qū)動(dòng)電路引入到功率開(kāi)關(guān)封裝內(nèi)，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(xiàn)在，當(dāng)器件上電時(shí)，應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師就在負(fù)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(fù)載分離，功率信號(hào)也需要簡(jiǎn)單形式的調(diào)節(jié)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(fù)載開(kāi)關(guān)中集成壓擺率 (slew-rate) 功能，以便應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。隨著這種功能性的增加，進(jìn)行額外的電路保護(hù)勢(shì)在必行。局勢(shì)從“簡(jiǎn)單的”開(kāi)關(guān)向“第一道保護(hù)防線”發(fā)展。它應(yīng)該是保護(hù)應(yīng)用負(fù)載電路的第一道防線。負(fù)載開(kāi)關(guān)不僅應(yīng)該連接電池和負(fù)載，還應(yīng)當(dāng)是保護(hù)應(yīng)用負(fù)載電路從電池到所有裝置的第一道防線。

功能性？

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

自我保護(hù)

讓我們先從上述第三個(gè)作用談起，即自我保護(hù)。基于移動(dòng)解決方案“性能對(duì)比尺寸”的價(jià)值建議，性能是一項(xiàng)特性，而尺寸是一項(xiàng)要求。在移動(dòng)解決方案領(lǐng)域，設(shè)備的熱性能一直是競(jìng)爭(zhēng)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(xù)，熱性能成為器件設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題。隨著系統(tǒng)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(xiàn)有兩種設(shè)計(jì)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(yīng)用遇到的任何事件。這種策略的弊病在于，由于預(yù)先定義，器件必然屬于保守設(shè)計(jì) (over-designed)。這種“萬(wàn)能解決方案”往往不適合任何應(yīng)用，效率低下，存在浪費(fèi)，并且顯然與減小解決方案尺寸的目標(biāo)相悖。

第二種策略則是滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)整合一個(gè)保護(hù)功能來(lái)消除熱問(wèn)題。這種方法雖然更加復(fù)雜，但可以提供性能/尺寸和保護(hù)之間的平衡。這種熱關(guān)斷功能可控制門電路，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(hù)器件。一旦回到閾值之下，器件就重新啟動(dòng)。這種保護(hù)功能的增加可以簡(jiǎn)化應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師對(duì)其特定應(yīng)用中負(fù)載開(kāi)關(guān)的評(píng)測(cè)，把設(shè)計(jì)要求減少為可以計(jì)量的功能集，并減小高估器件的可能性。