- 電池應用中負載開關的演變
- 智慧型MOSFET技術
- 醫療用智慧型MOSFET解決方案
所有關于醫療應用的產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與功能。由于各醫療設備公司及其最終應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品失敗的因素。所有這些因素都與電源有關，而且重要的是我們需要採用最新的技術來使風險最小化。
智慧型MOSFET是這些促進技術進步的因素之一，且其普及性一值增加。由于標準P溝道（P-channel）FET的驅動要求簡單，它常常被用于轉換電源分配節點、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進行投資，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和邏輯級驅動器，以便簡單控制這個已經減少的Rdson FET。為讓可靠性增加，這些元件整合了ESD保護、熱保護、過電流保護、過電壓保護，以及反向電流阻斷。所有這些都為醫療應用帶來了更高的價值和更高的可靠性。
下文將介紹負載開關的技術和其存在于當前電源架構中的塬因。它的應用案例將在實驗室範圍呈現。我們將討論小于6V的應用，可充電的可攜式醫療應用應該可以從中受益。本文也將討論快捷半導體最新技術進展所實現的全新40V智慧型FET應用，將提供具有價值的分析結果，展示智慧型FET是如何成為醫療產業中智慧化發展的趨勢。
電池應用中負載開關的演變
從電池被導入到電子產品中開始，對于電源隔離的需求就一直存在著。導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，設計的節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，電池技術并沒有出現任何大幅度的改進，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）技術遵守嚴格的功耗規格來延長設備的工作時間。
在我們討論負載開關之前，需要先檢視一下電池技術、電池上的負載、以及負載開關的要求。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中，然而，更困難的是，當給定的功能或感測器啟用時，會發生瞬態峰值。這些尖峰值的幅度和週期會受到監測，用來作為能量計算，通常為一次峰值結果與尖峰數量相乘。
在所有常規負載已知后，就可以直截了當地計算工作時間。目前，電池按mAh的標度來計算，而非先前的庫侖，也就是1000mAh的電池在其標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）
當工作電流被分配在以浪涌電流（例如1500mA）工作100ms，以及以連續電流（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，可以快速瞭解到負載開關可以用于隔離連續，但較小的電流消耗。短期間的尖銳脈衝并非是罪魁禍首，如果不隔離，數以百計的uA級電流消耗合計會達到mA的水準。此轉換將帶來軟功率爬升（soft power ramps）的重要性，尤其是當電源被使用到下游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。
關于涌浪和穩定功耗的影響，我們可以獨立出來討論。這些對電池的影響會隨電池化學成分和浪涌功耗間的時間而差別很大。一個普遍的觀念，相比較輕而持續的負載，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，我們假設電壓Vbatt是恒定的。而且，這取決于電池所使用的技術。對于鹼性塬電池（不可充電），Vmax為1.5V，在大多數情況下，這裡的Vmin假設為0.9V。可充電單節鋰電池Li-ion電池的標稱狀態電壓為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，這對實際充電具有較大的影響。
理解了實際電流消耗是如何耗盡電池電平，我們現在可以研究不同的方法來隔離下游耗電。將會用到高側（high side）和低側（low side）開關等這些詞匯。高側意味著開關將處于工作電平（rail）電路中且實際上電流由源極流至負載，通過接地電路返回。低側開關則在負載的對面且使電流流向接地電路。
將此簡單的開關塬理應用到普通的FET類型上，圖1顯示了基本的N溝道和P溝道MOSFET對于負載隔離的性能表現，每種都有其優點和缺點。從PN結截面圖像開始，我們可以快速說明截面b有如高側的P溝道。N溝道用來驅動閘極以簡化邏輯輸入控制。塬理圖b的缺點是，假如負載電壓高于電池電壓，能夠給體二極體施加正向偏置。通過在高側使用雙P溝道FET，塬理圖c解決了這個缺點，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無法用于高側開關呢？N溝道FET的教科書上的特性就是能夠啟動開關并使其處于線性區域，根據資料表（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動的方法。這會帶來額外的成本，然而，此N溝道高側開關方法對于較大電流應用是必須的。視電壓範圍而定，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，要么完全由于技術限制而無法提供。[page]
智慧型MOSFET技術
對于大多數應用，傳統的負載開關是有效的，但本文的討論將僅專注于醫療應用。這些設備需要極高的可靠性，并且在大多數情況下是不可重復充電的，因此要認真研究功耗和隔離。
快捷半導體的Intellimax產品組合能夠滿足智慧型MOSFET的功能性要求。圖2顯示了其標準的內部方塊圖，雖然基于所需要的特性，它會根據設備而有所不同。此圖以P溝道為基礎，高側電路位于Vin和Vout間。引腳數量已減至最少，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計而言，也可以使用SC70、SOT23和SO8。
資料表中的規格增加了針對製程、電壓和溫度變化的緩衝，表明Von必須超過1.0V來開啟開關，并且必須低于0.4V來關閉開關。這帶來了非常簡單的驅動電路，可以直接連接至微處理器。此Von規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，但熱關斷和過電流保護（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，因而我們轉而採用FPF2303。此雙輸出負載開關能夠驅動1.3A負載，具有先前提到的所有特性，而且還包含Flag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引腳相連接。反向電流阻斷如傳統負載開關圖中所示，但需要雙MOSFET的方法。快捷半導體的專有方法將此整合到P溝道中，并且在IC內作為一個額外的功能而無需外部元件。假如發生了開關負載側的電勢高于電池側的狀況，則必須具備反向電流阻斷特性。這會發生在系統具有多個初始電壓相同的電池，或發生在電壓尖峰期間。大體積電容器也有提供delta值的傾向。
對于負載開關，經常被忽視的規格就是ESD額定值，因為過去大多數的MOSFET并未將ESD保護整合在內。最近，ESD保護已被加進離散的P溝道MOSFET，它們在其中只是作為具有成本效益的負載開關。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。這增加了閘極的電容量，使它不太可能成為開關應用（馬達驅動、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甚至更進一步，在智慧型FET中整合了ESD結構，可以達到雙倍的ESD額定值至4KV HBM。ESD未來還可更進一步的改善。對于醫療應用，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相關失效，每個運送點都有潛在風險，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。
我們應該更進一步鉆研的下一代智慧型FET的特性是當開關關閉時會發生什么？採用離散P溝道的傳統負載開關可以完全關閉并連接輸入至輸出，不管是重負載還是大電容載入在輸出腳上。如果這種情況發生，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聯的精密類比數位轉換器（ADC）或感測器。在過去，電阻/電容（R/C）網路添加至閘極以降低開啟速度，但這會增加專案的設計時間和規模。Intellimax支援轉換速率控制特性，藉著在輸入端限制浪涌電流，可使電平中斷最小化。圖4顯示了此方案在實證研究的實驗室測試中的一個例證。注意，左邊為採用傳統P溝道方法對Vin電平的影響，右邊的則是Intellimax器件的影響。
智慧型MOSFET增加可靠性
不利事件發生時要求從輸入斷開負載以防止更進一步的損壞，這是解決可靠性問題的主要考慮因素。過去的傳統負載開關非常簡單且并不提供電流保護或熱保護。可以增加電流保護，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。總而言之，被動方式能夠在足夠短的時間內作出反應，以防止下游損壞嗎？熱感測就是在類似的比較基礎上應用的。
過流和過熱關斷事件的細節隨設備而不同。雖然某些關斷是即時的，并要求電源週期重新連接至負載，其它狀況則是在確信溫度和電流大小是安全的情況下，經過重試模式不斷地嘗試重新接通。在仔細檢視資料表后，可以在設備選擇上消除任何困惑。對于Intellimax器件的熱關斷，通常大多數IC，并不依賴這個特性作為常規作法。也就是說，在正常使用中，如果預期會發生熱事件，應該使用單獨溫度感測這一常規做法。依賴連續的過熱關斷可能會降低IC的性能。
如果偵測到會發生過流，可以在IC工廠內預設閾值電平。也可以在某些智慧型負載開關中，採用電阻接地的方法在外部設定該電平。而大多數都具有短路保護，最新增加的方法是，在特定的電流斷開方面採用顯著改進的容差，範圍從100mA到2A。在短短的幾年裡，電流檢測容差已經從30％降至10％的準確度。當選擇閾值電平時，注意最小和最大規格可以根據製程、電壓和溫度而變化。電流的動態範圍比較大，因而難以提供精確的和一致的轉變點。當接近檢測點時，對非常緩慢的電流爬升作出反應也是困難的。假如精確的電流感測和負載斷開是很重要的，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更準確地感測delta值。電感的大小將直接反映電流轉變的敏感性。在發生過電流事件后，智慧型MOSFET的每個系列的反應不同。某些完全斷開，其它的則採用預設步驟緩降電流，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格。
智慧型MOSFET規格比較
在討論了優點之后，當選擇智慧型MOSFET時，什么是必須嚴密評估的可能缺點或敏感規格？關鍵在于智慧型FET內的智慧功能。當然，電源必須被用來感測電流并驅動高側開關。這會寫在資料表的靜態電流規格中，它是在IC內所使用的有效電流，可校驗和驅動負載開關。對于快捷半導體的Intellimax產品線，此規格最小低于1μA。對于那些尋求最長電池壽命的應用，還必須嚴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資料表上同樣關注的資料是相同的。高側FET的導通電阻，被稱為Rdson，是用來計算穿過負載開關的損耗的關鍵數字。此Rdson將基于輸入電壓而變化，因為相同的Vin被用于驅動高側FET，因而把Ron作為用于特定應用的目標資料是實際的。當應用將實際工作于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。基于此一Ron值，如果負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節就是高側FET的最大電壓。為了讓Rdson最低，Intellimax產品線限制了輸入電壓至6V。這對于電池供電的應用是完美的，無論是3.7V可充電電池還是AA電池組。由于手機的廣泛應用，3.7V單節鋰離子電池組在可攜式醫療應用中正變得非常普遍。然而，醫療應用可能還要求液壓泵或風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，使電壓達到8V到12V。在過去，離散MOSFET在這些電壓電平下使用。新的開發成果已使智慧型FET達到更高的電壓。
快捷半導體的AccuPower系列整合式負載開關基于絕對最大40V、推薦的36V的製程，這是中等電壓應用中很大的技術飛躍。首個IC將採用100歐姆技術，具有Intellimax系列所支援的相同特性，但也將包括可調節的電流限制和供電良好（Pgood）引腳。因為較長的電壓爬升，負載應該在36V電壓，Pgood功能將提示微處理器輸出端可接受的電平水準。可調節電流限制開啟了醫療應用。AccuPower器件可以用于驅動DC電磁閥、風扇、泵等等。即使電池電壓在12V，穿過動態繞組負載的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電池電壓的負載類型。現已可供應支援這些電壓水準的FPF2700元件。
[page]
醫療用智慧型MOSFET
在回顧了電池技術以及從傳統負載開關到智慧型FET負載開關變遷的最新情況后，我們可以看到醫療應用是如何受益的，然而所感知的價值可能有所不同。可攜式醫療設備重視電源和負載的斷開，以期延長電池壽命。然而，正如我們所討論的，在開關斷開后究竟會發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生時，電源調節為更高電流應用增添了立即的可靠性。
不管應用為何，負載隔離點的發展趨勢繼續演變，并且智慧型MOSFET可以協助實現更高的性能和更高的可靠性。如果要保持醫療應用對于競爭對手的優勢，要求快速實施一系列功能。傳統P溝道FET將繼續用于簡單的開關，但當可靠性和上市時間成為產品設計的關鍵指標時，就不可忽視智慧型MOSFET技術的最新進展。
