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?，F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?；谝苿咏鉀Q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?，F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。