用智能MOSFET提升醫(yī)療設(shè)計(jì)可靠性及性能

　　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(shí)，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(jìng)爭(zhēng)愈來(lái)愈激烈，功能急劇增加，但是并未考慮到另外一個(gè)可能帶來(lái)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(cǎi)用最新的技術(shù)來(lái)使風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)要求簡(jiǎn)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?yàn)檫@些元件處于關(guān)鍵路徑中，其失效會(huì)讓下游的感測(cè)器或處理器失去作用，因而對(duì)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(jí)驅(qū)動(dòng)器，以便簡(jiǎn)單控制這個(gè)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(guò)電流保護(hù)、過(guò)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(lái)了更高的價(jià)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(yàn)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(jià)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(shì)。

　　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(duì)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(dòng)電源，意味著在使用期間電池將會(huì)不停的充放電。顯然地，設(shè)計(jì)的節(jié)能特性會(huì)直接影響正常使用和充電之間的時(shí)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(lái)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(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的工作時(shí)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(jì)電池壽命可以相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)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(cè)器啟用時(shí)，會(huì)發(fā)生瞬態(tài)峰值。這些尖峰值的幅度和週期會(huì)受到監(jiān)測(cè)，用來(lái)作為能量計(jì)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?jì)算工作時(shí)間。目前，電池按mAh的標(biāo)度來(lái)計(jì)算，而非先前的庫(kù)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(shí)1A電流或10小時(shí)100mA電流。

　　電池工作時(shí)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(shí)間時(shí)，對(duì)于這段時(shí)間的平均電流可以進(jìn)行線性計(jì)算。

　　每小時(shí)平均電流＝（1.5A×0.100s∕3600s）＋（0.020A×3599.9s∕3600s）＝20.04mA

　　用此時(shí)域中耗電的概念來(lái)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)祝绻桓綦x，數(shù)以百計(jì)的uA級(jí)電流消耗合計(jì)會(huì)達(dá)到mA的水準(zhǔn)。此轉(zhuǎn)換將帶來(lái)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(lái)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(shí)。

　　關(guān)于涌浪和穩(wěn)定功耗的影響，我們可以獨(dú)立出來(lái)討論。這些對(duì)電池的影響會(huì)隨電池化學(xué)成分和浪涌功耗間的時(shí)間而差別很大。一個(gè)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(lái)更長(zhǎng)的電池壽命。要瞭解這方面的具體情形，請(qǐng)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(duì)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(duì)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(lái)隔離下游耗電。將會(huì)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(guò)接地電路返回。低側(cè)開關(guān)則在負(fù)載的對(duì)面且使電流流向接地電路。

　　將此簡(jiǎn)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(duì)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(shuō)明截面b有如高側(cè)的P溝道。N溝道用來(lái)驅(qū)動(dòng)閘極以簡(jiǎn)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(guò)在高側(cè)使用雙P溝道FET，塬理圖c解決了這個(gè)缺點(diǎn)，這是一個(gè)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(wú)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(dòng)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(guò)漏電壓。因?yàn)樵陔姵貞?yīng)用中的主電平通常為可用的最高電平，必須採(cǎi)用自舉或隔離式驅(qū)動(dòng)的方法。這會(huì)帶來(lái)額外的成本，然而，此N溝道高側(cè)開關(guān)方法對(duì)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(wú)法提供。

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智慧型MOSFET技術(shù)

　　對(duì)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(huì)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(cǎi)用小至1mm×1mm的晶片級(jí)封裝（Chip Scale Packaging，CSP），或者採(cǎi)用廣為使用中的無(wú)引線uPak封裝，也稱為MLP。對(duì)于塬型（protype）的需要及空間限制較少的設(shè)計(jì)而言，也可以使用SC70、SOT23和SO8。

圖

　智慧型MOSFET的工作電壓Vin根據(jù)它們的製造製程而不同。對(duì)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(qǐng)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?yàn)樗cVin電源電壓有關(guān)。

　　資料表中的規(guī)格增加了針對(duì)製程、電壓和溫度變化的緩衝，表明Von必須超過(guò)1.0V來(lái)開啟開關(guān)，并且必須低于0.4V來(lái)關(guān)閉開關(guān)。這帶來(lái)了非常簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)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(huì)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(lái)瞭解全部詳情。

圖

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(guò)電流保護(hù)（over current protection，OCP），也能通過(guò)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(cǎi)用FPF2303。此雙輸出負(fù)載開關(guān)能夠驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)額外的功能而無(wú)需外部元件。假如發(fā)生了開關(guān)負(fù)載側(cè)的電勢(shì)高于電池側(cè)的狀況，則必須具備反向電流阻斷特性。這會(huì)發(fā)生在系統(tǒng)具有多個(gè)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(duì)于負(fù)載開關(guān)，經(jīng)常被忽視的規(guī)格就是ESD額定值，因?yàn)檫^(guò)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?cè)谄渲兄皇亲鳛榫哂谐杀拘б娴呢?fù)載開關(guān)。這以FET閘極上的背對(duì)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(dòng)、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(lái)還可更進(jìn)一步的改善。對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，ESD是重要的特性，因?yàn)榫€路板在裝配室間常常是無(wú)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(duì)于與ESD相關(guān)失效，每個(gè)運(yùn)送點(diǎn)都有潛在風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)。

　　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(shí)會(huì)發(fā)生什么？採(cǎi)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(jí)端輸入電平會(huì)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(cè)器。在過(guò)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(huì)增加專案的設(shè)計(jì)時(shí)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(yàn)室測(cè)試中的一個(gè)例證。注意，左邊為採(cǎi)用傳統(tǒng)P溝道方法對(duì)Vin電平的影響，右邊的則是Intellimax器件的影響。

圖

智慧型MOSFET增加可靠性

　　不利事件發(fā)生時(shí)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(wèn)題的主要考慮因素。過(guò)去的傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)非常簡(jiǎn)單且并不提供電流保護(hù)或熱保護(hù)?？梢栽黾与娏鞅Ｗo(hù)，但這將增加一些外部元件并要求對(duì)被動(dòng)元件有更精確的選擇公差?？偠灾?，被動(dòng)方式能夠在足夠短的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，以防止下游損壞嗎？熱感測(cè)就是在類似的比較基礎(chǔ)上應(yīng)用的。

　　過(guò)流和過(guò)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(shí)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(guò)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(duì)于Intellimax器件的熱關(guān)斷，通常大多數(shù)IC，并不依賴這個(gè)特性作為常規(guī)作法。也就是說(shuō)，在正常使用中，如果預(yù)期會(huì)發(fā)生熱事件，應(yīng)該使用單獨(dú)溫度感測(cè)這一常規(guī)做法。依賴連續(xù)的過(guò)熱關(guān)斷可能會(huì)降低IC的性能。

　　如果偵測(cè)到會(huì)發(fā)生過(guò)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(cǎi)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(cǎi)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(cè)容差已經(jīng)從30％降至10％的準(zhǔn)確度。當(dāng)選擇閾值電平時(shí)，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(dòng)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(cè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)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(cè)和負(fù)載斷開是很重要的，有可能對(duì)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(cè)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(guò)電流事件后，智慧型MOSFET的每個(gè)系列的反應(yīng)不同。某些完全斷開，其它的則採(cǎi)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(gè)固定電壓輸出。請(qǐng)?jiān)谶x擇元件時(shí)密切注意這個(gè)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(shí)，什么是必須嚴(yán)密評(píng)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(lái)感測(cè)電流并驅(qū)動(dòng)高側(cè)開關(guān)。這會(huì)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(yàn)和驅(qū)動(dòng)負(fù)載開關(guān)。對(duì)于快捷半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品線，此規(guī)格最小低于1μA。對(duì)于那些尋求最長(zhǎng)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(shí)，或許在所評(píng)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(lái)計(jì)算穿過(guò)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?yàn)橄嗤腣in被用于驅(qū)動(dòng)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(shí)，Vin常常用于計(jì)算最低Ron，因而不要在兩個(gè)資料表中比較絕對(duì)最低的Rdson?；诖艘籖on值，如果負(fù)載需要的電流是已知的，可以計(jì)算FET兩端的損耗。對(duì)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(gè)有時(shí)會(huì)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(duì)于電池供電的應(yīng)用是完美的，無(wú)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(guò)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(duì)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(gè)IC將採(cǎi)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?yàn)檩^長(zhǎng)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)?？烧{(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(dòng)DC電磁閥、風(fēng)扇、泵等等。即使電池電壓在12V，穿過(guò)動(dòng)態(tài)繞組負(fù)載的L di/dt電壓尖峰將輕易超過(guò)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(cǎi)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(jià)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(zhǎng)電池壽命。然而，正如我們所討論的，在開關(guān)斷開后究竟會(huì)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(guò)電流發(fā)生時(shí)，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(shì)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(duì)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)單的開關(guān)，但當(dāng)可靠性和上市時(shí)間成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，就不可忽視智慧型MOSFET技術(shù)的最新進(jìn)展。