移動產品應用中電源管理半導體技術的發展趨勢：今天的負載開關

　　消費者總是追求更小巧、更輕薄及功能更豐富的便攜式電子設備，這是一個不爭的事實。這迫使消費產品公司不得不想辦法以滿足用戶幾乎無止境的欲望：“更小巧”、“更便宜” 、“效率更高” 、“更簡單” 、“更易于使用”。然而答案并不新鮮，就是集成化。集成化是這場游戲的名稱，它充斥在便攜式電子設計的每個角落。從簡單的 MOSFET 開關，到當前先進的負載開關，在最新的功率管理 IC中，這種集成化趨勢司空見慣。

　　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“設計簡化”。功率管理 IC 中的這種集成化趨勢已帶來眾多優勢，包括減少封裝數目、優化功耗、提高系統穩健性、減輕設計工作量，以及降低成本。所有優點又分別串接及相互結合，表現出更多的優勢。例如，“封裝式解決方案”增加了功能性，又減少了元件數目，提高了系統的穩健性。這種單芯片解決方案減小 PCB 板空間，釋放以往用于系統保護的應用處理器負荷，并減少設計調試階段對設計工程資源的需求。它允許設計人員在自己的產品中集成新的功能，并通過節省處理器負荷、PCB 板空間和材料清單成本來實現。這些優勢顯然可以滿足終端消費者的要求，而且封裝解決方案還能提高系統的容限和穩健性。

　　除了降低工作電壓和導通阻抗等基本性能的提升之外，最新一代技術更能為應用處理器提供反饋信息。新的產品開始提供故障和診斷信息，讓應用控制器更好地響應安全和性能問題，并改善終端應用。

　　負載開關集成化的演進

　　最初，只有簡單的功率 MOSFET 開關，只能提供最基本的保護功能，允許電源 (即電池) 與應用負載電路分離。其缺陷在于應用處理器，由于它的功率限制，不能直接驅動功率開關的門電路。該分立式解決方案必需添加單獨的驅動器電路，這明顯增加了材料清單數量，從而要求更大的 PCB 面積，同時增加成本和總體設計工作量。

　　過去幾年間，器件制造商將門驅動電路引入到功率開關封裝內，解決了上述分立方案的問題。這樣，PCB 板空間可以用來集成更多各種形式的功能。不過，增加額外功能的代價是更高的價格和工作量。現在，當器件上電時，應用設計工程師就在負載和電源方面分別面臨兩個新的卻又彼此相關的問題：瞬態過流尖刺和電壓暫降(voltage sag)。所以，新的問題是，不僅電源仍需要與負載分離，功率信號也需要簡單形式的調節以避免元件損壞和服務中斷。

　　器件制造商基于分立解決方案，在負載開關中集成壓擺率 (slew-rate) 功能，以便應對這些挑戰。隨著這種功能性的增加，進行額外的電路保護勢在必行。局勢從“簡單的”開關向“第一道保護防線”發展。它應該是保護應用負載電路的第一道防線。負載開關不僅應該連接電池和負載，還應當是保護應用負載電路從電池到所有裝置的第一道防線。

　　功能性？

　　負載開關的主要作用是提供應用保護。它必須保護應用負載電路，保護從電池到USB 接口附件的各種資源，還必須具有自我保護功能。須謹記集成額外功能的價值已獲證為合理的。

　　自我保護

　　讓我們先從上述第三個作用談起，即自我保護。基于移動解決方案“性能對比尺寸”的價值建議，性能是一項特性，而尺寸是一項要求。在移動解決方案領域，設備的熱性能一直是競爭差異所在。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，熱性能成為器件設計的一個主要問題。隨著系統解決方案總體封裝尺寸日趨縮小，避免熱事故的發生成為一個明確的要求。現有兩種設計策略可供采用。第一種是讓產品“穿上防彈衣”，能夠耐受終端應用遇到的任何事件。這種策略的弊病在于，由于預先定義，器件必然屬于保守設計 (over-designed)。這種“萬能解決方案”往往不適合任何應用，效率低下，存在浪費，并且顯然與減小解決方案尺寸的目標相悖。

　　第二種策略則是滿足設計要求，通過整合一個保護功能來消除熱問題。這種方法雖然更加復雜，但可以提供性能/尺寸和保護之間的平衡。這種熱關斷功能可控制門電路，在溫度超過過熱閾值時能夠斷開開關，從而保護器件。一旦回到閾值之下，器件就重新啟動。這種保護功能的增加可以簡化應用設計工程師對其特定應用中負載開關的評測，把設計要求減少為可以計量的功能集，并減小高估器件的可能性。

　　電源保護

負載開關可用于各種不同應用，包括 USB 或存儲卡的接口保護，以及應用負載和電池或輔助電源接口的連接。正因為應用的多樣性，保護應用設備免受電壓和電流突發性變化所造成的損害成為一個重要問題。我們已經討論了壓擺率功能，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保護應用設備呢？目前先進的負載開關可提供欠壓鎖定 (UVLO) 功能，當電壓過低時，這種功能可斷開接口。欠壓鎖定的工作原理十分簡單，就是在輸入電壓降至鎖定閾值以下時，關斷開關。

　　另一個重要的保護問題是有關突發電流的處理。簡單的開關很少考慮電流的方向，但隨著移動平臺上的插入附件逐漸增多，在非預定/失控電流可能流經錯誤的方向，從而對元件造成損害時，提供保護功能就變得至關重要。在這種情形下，比較先進的負載開關越來越多地整合“反向電流阻斷”功能，可以保護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二極管，但不必犧牲效率。這在標準 USB 電源設計中相當重要，并可在有反向電流流經的情況下保護 USB主機。

　　系統保護

移動解決方案應用的融合在繼續增加，而且不僅是對電源電路產生影響。若用戶連接了一個不兼容的附件，設計工程師如何能夠防止似乎無窮無盡的潛在危險呢？前面描述了可利用反向電流阻斷功能來解決電流方向的問題，但仍存在簡單過流情況的潛在問題。最新的負載開關通過增加模擬控制器來解決這一問題，并整合了過流保護 (OCP) 功能，可把電流限制在某個預定值上。由于把保護職責轉移到電源連接上，這里事件發生迅速，而保護電路可以更快地進行響應，從而能夠避免過流尖刺引起的元件損害，最終提高系統設計的穩健性。這種解決方案還可減少軟硬件設計工作量，釋放應用處理器負荷。

　　除過流保護功能之外，還有另外兩種功能常用于在故障行為和恢復方法中提供靈活性。根據過流故障的原因，以及所需的響應，當檢測到故障時，可能需要立即判斷是硬故障還是嚴重的連接問題。這提供了最大限度的保護，同時還確保中斷服務。第一個功能是消隱時間 (Blanking Time)，其定義了關斷之前的延遲時間。這一功能讓系統能夠忽略關斷之前的限流故障條件，從而提高系統的故障容限。它還可以實現故障自我修正和恢復，無需中斷服務。當然，也許最好的是永遠保持在限流模式下，不必糾錯和命令關斷。

　　一旦故障發生，設計工程師有兩個選擇來設置恢復方法。自動重啟功能將重新初始化，并在預先設定的某一時間段之后閉合開關。這種功能可以通過讓開關斷開來確保最大限度的保護，而且由于無需用戶重啟，因此盡可能地減少系統中斷。如果沒有自動重啟功能，用戶可能需要重新開機以清除故障。

　　自簡單的開關開始，負載開關經歷了很長的發展路程，現在它不僅能夠提供關鍵的功能，還為消費電子設計工程師帶來許多改進措施。隨著額外保護功能的增加，這也正是集成化的特征，我們現在看到一種趨勢，即負載開關不僅提供功能，還可提供反饋至應用處理器的相關信息。我們將在下又進一步探討這個問題。

　　功能性的下一步發展--> 提供信息

　　至此，我們已經討論了負載開關從簡單開關到日趨復雜的功能集成級別的發展歷程。下一個趨勢很可能是提供信息。雖然負載開關不能告訴應用控制器事件發生的原因 (‘Why’)，但卻可以提供有關事件發生內容的信息 (‘What’)。

　　盡管這還只是初始階段，現在的負載開關能夠提供有助于決策制定的信息，例如，若負載開關通知應用處理器，因過流故障已關斷，而應用控制器知道這個負載開關連接到 USB 端口，那么，應用處理器就可以推斷有一個不兼容的器件被連接。知道了這一點，控制器就可以選擇適當的替代算法來執行，或者是請求用戶干預。雖然并沒有提供大量信息，但已有可能把客戶的不滿減至最少，改善總體體驗，同時完成主要的保護作用。

　　除了故障信息之外，還有可能提供輸入電壓的評測信息。如果存在輸入電壓，就表示有器件連接。了解到這一點，而且若一切看起來均正常，該信息可用于觸發其它事件。這一信息可讓應用處理器更好地了解正在發生什么，并能夠進行適當的響應。

　　結語

　　本文回顧了負載開關的主要發展歷史，并介紹了其在功能方面的最新成果。有一點至關重要，而這里并沒有討論到的是：我們必須認識到，包括硅技術和先進封裝開發的支持技術是實現這些趨勢和功能性水平的關鍵使能因素。在任何情況下，對于豐富的新型消費電子產品及其附件，負載開關顯然起著重要的電路保護作用。