所有的醫(yī)療應(yīng)用在要求高可靠性的同時仍然要為較終用戶提供所需的技術(shù)進(jìn)步。由于各醫(yī)療設(shè)備公司間競爭激烈，他們的較終應(yīng)用、功能急劇增加，但是沒有考慮到另外一個可能的失效點的影響。在所有這些點都需要電源，并且采用較新技術(shù)進(jìn)展來使風(fēng)險較小化是非常重要的。

智能MOSFET是促進(jìn)醫(yī)療應(yīng)用一直普遍增長的動因之一。由于標(biāo)準(zhǔn)P溝道(P-channel) FET的驅(qū)動要求簡單，它常常被用于轉(zhuǎn)換電源分配節(jié)點、連接充電路徑、連接器熱插拔、直流電流等等。因為這些器件處于關(guān)鍵線路中，其失效會導(dǎo)致下游傳感器或處理器不工作，因而在穩(wěn)固的功率開關(guān)方面進(jìn)行投資是明智的。相比等效P溝道/N溝道組合方法，Intellimax FET集成了P溝道FET和邏輯電平驅(qū)動器，允許簡單控制Rdson減小的FET。為增加更多的可靠性，這些器件集成了ESD保護(hù)、熱保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)，以及反向電流阻斷。所有這些都為醫(yī)療應(yīng)用帶來了高價值和高可靠性。

下列所述是負(fù)載開關(guān)技術(shù)的介紹和其存在于當(dāng)前電源架構(gòu)中的原因。它的應(yīng)用案例將在實驗室范圍呈現(xiàn)。我們將討論小于6V的應(yīng)用，可充電便攜式醫(yī)療應(yīng)用可以從該應(yīng)用中受益。本文也將討論飛兆半導(dǎo)體較新技術(shù)進(jìn)展所實現(xiàn)的全新40V智能FET應(yīng)用，并給出非常具有價值的分析結(jié)果，展示智能FET如何成為醫(yī)療行業(yè)的智能化發(fā)展趨勢。

用于電池應(yīng)用的負(fù)載開關(guān)的演進(jìn)

從電池被集成到電子產(chǎn)品中開始，對于電源隔離的需求一直存在著。引入電池作為移動電源意味著在使用期間電池將會消耗并必須再次充電。顯然，設(shè)計的節(jié)能特性會直接影響正常使用和充電之間的時間。在較近這些年里電池技術(shù)沒有獲得任何主要改進(jìn)，未來也沒有主要突破。因此需要依靠集成電路(IC)技術(shù)遵守嚴(yán)格的功耗規(guī)格來延長設(shè)備的工作時間。

在我們討論負(fù)載開關(guān)之前，需要看看電池技術(shù)、電池上的負(fù)載、以及負(fù)載開關(guān)的要求。在給定充電條件下，可以相對簡單地估算電池壽命，如果所有電流消耗路徑都已知。通常并非是100mA受控的占空比傳感器單獨影響功耗，而是許多緩慢地消耗能量的小于1mA的始終連接的漏電槽。必須把它們粗略地加到功率公式當(dāng)中，然而，更困難的是，當(dāng)給定的功能或傳感器啟用時，會發(fā)生瞬態(tài)峰值。在幅度和持續(xù)時間方面，這些尖峰值會受到監(jiān)控，允許能量計算時使用通常的一次峰值結(jié)果與尖峰數(shù)量相乘。

在所有常規(guī)負(fù)載已知后，可以直截了當(dāng)?shù)赜嬎愎ぷ鲿r間。目前，電池按mAh的標(biāo)度規(guī)定，代替先前的庫侖，也就是1000 mAh的電池在其標(biāo)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(dāng)工作電流分布于浪涌電流之間時，例如1500mA工作100ms，而連續(xù)電流，例如20mA指示器LED用于剩余的工作時間，那么對于那些時間的平均電流可以進(jìn)行線性計算。

每小時平均電流=(1.5 A x 0.100 s / 3600 s) + (0.020 A x 3599.9 s / 3600 s) = 20.04 mA

在時域中使用此耗電概念，可以快速了解到負(fù)載開關(guān)可以用于隔離連續(xù)的、較小的電流消耗。短期間尖銳的脈沖并非是罪魁禍?zhǔn)�，如果不隔離，數(shù)以百計的uA級電流消耗合計會達(dá)到mA的水平。因為功率能夠使下游IC減少不需要的大電壓尖峰,從而不會影響極其脆弱的mAh電池額定值，因此該轉(zhuǎn)換將使軟功率爬升。

在對比功率和穩(wěn)定的功耗時，可以單獨討論浪涌的影響。對電池的影響會隨電池化學(xué)成分和浪涌間的時間而差別很大。通�？梢越邮芟鄬�較輕而持續(xù)的負(fù)載，合理比例的浪涌可以帶來更長的電池壽命。在基于純電流的上述公式里，我們假設(shè)電壓Vbatt是恒定的。對于堿性原電池(不可充電)，Vmax為1.5V，這里Vmin在大多數(shù)情況下假設(shè)為0.9V。可充電單節(jié)鋰電池的標(biāo)稱狀態(tài)電壓為3.7V，然而可以充電至較大4.2V，而且仍然可以降落到2.5至3V的較低電壓Vmin，這對實際充電具有較大的影響。

理解了電流消耗是如何耗盡電池電平，我們現(xiàn)在可以研究用不同的方法來隔離下游耗電。我們將使用高邊和低邊開關(guān)等器件。高邊意味著開關(guān)將處于工作電平電路中且實際上電流由源極流至負(fù)載，通過接地電路返回。低邊開關(guān)則在負(fù)載的對面且使電流流向接地電路。

將此簡單的開關(guān)原理應(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對于負(fù)載隔離的性能表現(xiàn)，每種都有其優(yōu)點和缺點。從PN結(jié)截面圖像開始，我們可以快速說明在高邊的作為P溝道的截面b。N溝道用來驅(qū)動?xùn)艠O以簡化邏輯輸入控制。原理圖b的缺點是，假如負(fù)載電壓高于電池電壓，能夠給體二極管施加正向偏置。通過在高邊使用雙P溝道FET，原理圖c消除了這個缺點，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無法用于高邊開關(guān)呢？N溝道FET的教科書上的特性就是能夠激活開關(guān)并使其處于線性區(qū)域，根據(jù)給定數(shù)據(jù)表的閾值電壓，柵電壓必須超過漏電壓。因為在電池應(yīng)用中的主電平通常為可用的較高電平，必須采用自舉或隔離驅(qū)動的方法。這會帶來額外的成本，然而，此N溝道高邊開關(guān)方法對于較大電流應(yīng)用是必須的。取決于電壓范圍，N溝道的Rdson可減少20 – 50%。除了由于Rdson所致的損耗外，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)限制而無法提供。

智能MOSFET技術(shù)簡介

對于大多數(shù)應(yīng)用，傳統(tǒng)的負(fù)載開關(guān)是有效的，但這里的討論僅僅專注于醫(yī)療應(yīng)用。這些設(shè)備需要極度關(guān)注可靠性，并且在大多數(shù)情況下是不可充電的，因此要認(rèn)真研究功耗和隔離。

在飛兆半導(dǎo)體，我們的Intellimax產(chǎn)品組合能夠滿足智能MOSFET的功能性要求。圖2顯示了其標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部方框圖，雖然基于所需要的特性，它會根據(jù)設(shè)備而有所不同。此圖基于P溝道，高邊電路位于Vin和Vout間。引腳數(shù)量較少以保持盡可能小的封裝尺寸。而涉及到封裝方面，這些器件可以采用小至1mm x 1mm的芯片級封裝(Chip Scale Packaging，CSP)，或者采用流行的無引線uPak封裝，也稱為MLP。針對原型需要及空間限制較少的設(shè)計，也可以使用SC70、SOT23和SO8。

圖1 傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)表現(xiàn)所示a)N和P溝道描述，b) 在高邊的由P 溝道組成的簡單負(fù)載開關(guān)與通過邏輯信號驅(qū)動的N溝道 c) 當(dāng)不啟用時高邊雙N溝道提供了體二極管電流阻斷。

圖2 Intellimax IC的典型內(nèi)部方框圖，采用基于P溝道的高邊MOSFET，集成的特性包括：電流限制、熱關(guān)斷、欠壓鎖 定、錯誤標(biāo)志，以及邏輯電壓控制。

智能MOSFET的工作電壓Vin根據(jù)它們的制造工藝而不同。對于飛兆半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品線，推薦的工作電壓范圍從0.8V至5.5V。請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是用于高邊負(fù)載開關(guān)的實際額定值。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數(shù)據(jù)表，顯示了開啟集成P溝道FET所需要的實際Von電壓，因為它與Vin電源電壓有關(guān)。

圖3 顯示了FPF1039 Von啟動閾值電壓，用于數(shù)據(jù)表中所示的高 電平和低電平。縱軸為Von電平而橫軸為Vin或電源電壓。 

數(shù)據(jù)表中的規(guī)格增加了對于工藝、電壓和溫度變化的緩沖，表明Von必須超過1.0V來開啟開關(guān)，并且必須低于0.4V來關(guān)閉開關(guān)。這帶來了非常簡單的驅(qū)動電路，可以直接連接至微處理器。此Von規(guī)格隨器件而不同且可能不一定會如圖3那樣平直。不要只查看靜態(tài)閾值電平的數(shù)據(jù)表,可以參照曲線來了解詳情。

如上所述，此邏輯電平Von使功能接口易于連接至微處理器，但熱關(guān)斷和過電流保護(hù)(over current protection，OCP)，也能通過Flag引腳連接良好。此特性未集成在比如FPF1039的較小Intellimax解決方案中，因而我們轉(zhuǎn)向FPF2303。此雙輸出負(fù)載開關(guān)能夠驅(qū)動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。飛兆半導(dǎo)體的專有方法將此集成到P溝道中并且在IC內(nèi)作為一個額外特性而無需外部元件。假如發(fā)生了開關(guān)負(fù)載側(cè)的電勢高于電池側(cè)的狀況，則必須具備反向電流阻斷特性。這可以發(fā)生在系統(tǒng)具有多個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值的趨向。

對于負(fù)載開關(guān)，經(jīng)常被忽視的規(guī)格就是ESD額定值，因為過去的大多數(shù)MOSFET并不集成ESD保護(hù)。較近，常常用作簡單的具有成本效益的負(fù)載開關(guān)的分立P溝道MOSFET中已加入了ESD保護(hù)，以FET柵極上的背對背齊納(zener)二極管箝位的形式出現(xiàn)。這增加了柵極的電容量，使它不太可能成為開關(guān)應(yīng)用(馬達(dá)驅(qū)動、電源等等)的備選，但在增加2K 人體放電模式(Human Body Model，HBM)齊納二極管的情況下可使柵極更加牢固。Intellimax甚至更進(jìn)一步，在智能FET中集成了ESD結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到雙倍的ESD額定值至4KV HBM。對于醫(yī)療應(yīng)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，以完成在塑料膠殼中以及密封附件中的具體插件。每個運送點都有ESD相關(guān)失效的潛在風(fēng)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(yīng)該更進(jìn)一步鉆研下一代智能FET當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時會發(fā)生什么？采用分立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)載還是大電容加載在輸出腳上。如果這種情況發(fā)生，通常初級端輸入電平會顯示電壓突降，其可能影響與偏置電平相關(guān)聯(lián)的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器

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