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?xiě)?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(mén)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(mén)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)?；谝苿?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(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(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。

　　電源保護(hù)

負(fù)載開(kāi)關(guān)可用于各種不同應(yīng)用，包括 USB 或存儲(chǔ)卡的接口保護(hù)，以及應(yīng)用負(fù)載和電池或輔助電源接口的連接。正因?yàn)閼?yīng)用的多樣性，保護(hù)應(yīng)用設(shè)備免受電壓和電流突發(fā)性變化所造成的損害成為一個(gè)重要問(wèn)題。我們已經(jīng)討論了壓擺率功能，可控制浪涌電流，盡可能減小電流尖刺和總線電壓暫降，那么，又該如何在低壓工作狀態(tài)保護(hù)應(yīng)用設(shè)備呢？目前先進(jìn)的負(fù)載開(kāi)關(guān)可提供欠壓鎖定 (UVLO) 功能，當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，這種功能可斷開(kāi)接口。欠壓鎖定的工作原理十分簡(jiǎn)單，就是在輸入電壓降至鎖定閾值以下時(shí)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)。

　　另一個(gè)重要的保護(hù)問(wèn)題是有關(guān)突發(fā)電流的處理。簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)很少考慮電流的方向，但隨著移動(dòng)平臺(tái)上的插入附件逐漸增多，在非預(yù)定/失控電流可能流經(jīng)錯(cuò)誤的方向，從而對(duì)元件造成損害時(shí)，提供保護(hù)功能就變得至關(guān)重要。在這種情形下，比較先進(jìn)的負(fù)載開(kāi)關(guān)越來(lái)越多地整合“反向電流阻斷”功能，可以保護(hù)輸入源免受輸出端返流電流的損壞。在功能上，這類似于在電源路徑上放置一個(gè)二極管，但不必犧牲效率。這在標(biāo)準(zhǔn) USB 電源設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要，并可在有反向電流流經(jīng)的情況下保護(hù) USB主機(jī)。

　　系統(tǒng)保護(hù)

移動(dòng)解決方案應(yīng)用的融合在繼續(xù)增加，而且不僅是對(duì)電源電路產(chǎn)生影響。若用戶連接了一個(gè)不兼容的附件，設(shè)計(jì)工程師如何能夠防止似乎無(wú)窮無(wú)盡的潛在危險(xiǎn)呢？前面描述了可利用反向電流阻斷功能來(lái)解決電流方向的問(wèn)題，但仍存在簡(jiǎn)單過(guò)流情況的潛在問(wèn)題。最新的負(fù)載開(kāi)關(guān)通過(guò)增加模擬控制器來(lái)解決這一問(wèn)題，并整合了過(guò)流保護(hù) (OCP) 功能，可把電流限制在某個(gè)預(yù)定值上。由于把保護(hù)職責(zé)轉(zhuǎn)移到電源連接上，這里事件發(fā)生迅速，而保護(hù)電路可以更快地進(jìn)行響應(yīng)，從而能夠避免過(guò)流尖刺引起的元件損害，最終提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。這種解決方案還可減少軟硬件設(shè)計(jì)工作量，釋放應(yīng)用處理器負(fù)荷。

　　除過(guò)流保護(hù)功能之外，還有另外兩種功能常用于在故障行為和恢復(fù)方法中提供靈活性。根據(jù)過(guò)流故障的原因，以及所需的響應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，可能需要立即判斷是硬故障還是嚴(yán)重的連接問(wèn)題。這提供了最大限度的保護(hù)，同時(shí)還確保中斷服務(wù)。第一個(gè)功能是消隱時(shí)間 (Blanking Time)，其定義了關(guān)斷之前的延遲時(shí)間。這一功能讓系統(tǒng)能夠忽略關(guān)斷之前的限流故障條件，從而提高系統(tǒng)的故障容限。它還可以實(shí)現(xiàn)故障自我修正和恢復(fù)，無(wú)需中斷服務(wù)。當(dāng)然，也許最好的是永遠(yuǎn)保持在限流模式下，不必糾錯(cuò)和命令關(guān)斷。

　　一旦故障發(fā)生，設(shè)計(jì)工程師有兩個(gè)選擇來(lái)設(shè)置恢復(fù)方法。自動(dòng)重啟功能將重新初始化，并在預(yù)先設(shè)定的某一時(shí)間段之后閉合開(kāi)關(guān)。這種功能可以通過(guò)讓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)來(lái)確保最大限度的保護(hù)，而且由于無(wú)需用戶重啟，因此盡可能地減少系統(tǒng)中斷。如果沒(méi)有自動(dòng)重啟功能，用戶可能需要重新開(kāi)機(jī)以清除故障。

　　自簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，負(fù)載開(kāi)關(guān)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的發(fā)展路程，現(xiàn)在它不僅能夠提供關(guān)鍵的功能，還為消費(fèi)電子設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)許多改進(jìn)措施。隨著額外保護(hù)功能的增加，這也正是集成化的特征，我們現(xiàn)在看到一種趨勢(shì)，即負(fù)載開(kāi)關(guān)不僅提供功能，還可提供反饋至應(yīng)用處理器的相關(guān)信息。我們將在下又進(jìn)一步探討這個(gè)問(wèn)題。

　　功能性的下一步發(fā)展--> 提供信息

　　至此，我們已經(jīng)討論了負(fù)載開(kāi)關(guān)從簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)到日趨復(fù)雜的功能集成級(jí)別的發(fā)展歷程。下一個(gè)趨勢(shì)很可能是提供信息。雖然負(fù)載開(kāi)關(guān)不能告訴應(yīng)用控制器事件發(fā)生的原因 (‘Why’)，但卻可以提供有關(guān)事件發(fā)生內(nèi)容的信息 (‘What’)。

　　盡管這還只是初始階段，現(xiàn)在的負(fù)載開(kāi)關(guān)能夠提供有助于決策制定的信息，例如，若負(fù)載開(kāi)關(guān)通知應(yīng)用處理器，因過(guò)流故障已關(guān)斷，而應(yīng)用控制器知道這個(gè)負(fù)載開(kāi)關(guān)連接到 USB 端口，那么，應(yīng)用處理器就可以推斷有一個(gè)不兼容的器件被連接。知道了這一點(diǎn)，控制器就可以選擇適當(dāng)?shù)奶娲惴▉?lái)執(zhí)行，或者是請(qǐng)求用戶干預(yù)。雖然并沒(méi)有提供大量信息，但已有可能把客戶的不滿減至最少，改善總體體驗(yàn)，同時(shí)完成主要的保護(hù)作用。

　　除了故障信息之外，還有可能提供輸入電壓的評(píng)測(cè)信息。如果存在輸入電壓，就表示有器件連接。了解到這一點(diǎn)，而且若一切看起來(lái)均正常，該信息可用于觸發(fā)其它事件。這一信息可讓?xiě)?yīng)用處理器更好地了解正在發(fā)生什么，并能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文回顧了負(fù)載開(kāi)關(guān)的主要發(fā)展歷史，并介紹了其在功能方面的最新成果。有一點(diǎn)至關(guān)重要，而這里并沒(méi)有討論到的是：我們必須認(rèn)識(shí)到，包括硅技術(shù)和先進(jìn)封裝開(kāi)發(fā)的支持技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些趨勢(shì)和功能性水平的關(guān)鍵使能因素。在任何情況下，對(duì)于豐富的新型消費(fèi)電子產(chǎn)品及其附件，負(fù)載開(kāi)關(guān)顯然起著重要的電路保護(hù)作用。