移动产品应用中电源管理半导体技术的发展趋势：今天的负载开关

　　消费者总是追求更小巧、更轻薄及功能更丰富的便携式电子设备，这是一个不争的事实。这迫使消费产品公司不得不想办法以满足用户几乎无止境的欲望：“更小巧”、“更便宜” 、“效率更高” 、“更简单” 、“更易于使用”。然而答案并不新鲜，就是集成化。集成化是这场游戏的名称，它充斥在便携式电子设计的每个角落。从简单的 MOSFET 开关，到当前先进的负载开关，在最新的功率管理 IC中，这种集成化趋势司空见惯。

　　集成集成集成

　　最终的好处十分清楚，也不是什么新概念，就是“设计简化”。功率管理 IC 中的这种集成化趋势已带来众多优势，包括减少封装数目、优化功耗、提高系统稳健性、减轻设计工作量，以及降低成本。所有优点又分别串接及相互结合，表现出更多的优势。例如，“封装式解决方案”增加了功能性，又减少了元件数目，提高了系统的稳健性。这种单芯片解决方案减小 PCB 板空间，释放以往用于系统保护的应用处理器负荷，并减少设计调试阶段对设计工程资源的需求。它允许设计人员在自己的产品中集成新的功能，并通过节省处理器负荷、PCB 板空间和材料清单成本来实现。这些优势显然可以满足终端消费者的要求，而且封装解决方案还能提高系统的容限和稳健性。

　　除了降低工作电压和导通阻抗等基本性能的提升之外，最新一代技术更能为应用处理器提供反馈信息。新的产品开始提供故障和诊断信息，让应用控制器更好地响应安全和性能问题，并改善终端应用。

　　负载开关集成化的演进

　　最初，只有简单的功率 MOSFET 开关，只能提供最基本的保护功能，允许电源 (即电池) 与应用负载电路分离。其缺陷在于应用处理器，由于它的功率限制，不能直接驱动功率开关的门电路。该分立式解决方案必需添加单独的驱动器电路，这明显增加了材料清单数量，从而要求更大的 PCB 面积，同时增加成本和总体设计工作量。

　　过去几年间，器件制造商将门驱动电路引入到功率开关封装内，解决了上述分立方案的问题。这样，PCB 板空间可以用来集成更多各种形式的功能。不过，增加额外功能的代价是更高的价格和工作量。现在，当器件上电时，应用设计工程师就在负载和电源方面分别面临两个新的却又彼此相关的问题：瞬态过流尖刺和电压暂降(voltage sag)。所以，新的问题是，不仅电源仍需要与负载分离，功率信号也需要简单形式的调节以避免元件损坏和服务中断。

　　器件制造商基于分立解决方案，在负载开关中集成压摆率 (slew-rate) 功能，以便应对这些挑战。随着这种功能性的增加，进行额外的电路保护势在必行。局势从“简单的”开关向“第一道保护防线”发展。它应该是保护应用负载电路的第一道防线。负载开关不仅应该连接电池和负载，还应当是保护应用负载电路从电池到所有装置的第一道防线。

　　功能性？

　　负载开关的主要作用是提供应用保护。它必须保护应用负载电路，保护从电池到USB 接口附件的各种资源，还必须具有自我保护功能。须谨记集成额外功能的价值已获证为合理的。

　　自我保护

　　让我们先从上述第三个作用谈起，即自我保护。基于移动解决方案“性能对比尺寸”的价值建议，性能是一项特性，而尺寸是一项要求。在移动解决方案领域，设备的热性能一直是竞争差异所在。由于集成度的不断提高，以及减小解决方案尺寸的压力持续，热性能成为器件设计的一个主要问题。随着系统解决方案总体封装尺寸日趋缩小，避免热事故的发生成为一个明确的要求。现有两种设计策略可供采用。第一种是让产品“穿上防弹衣”，能够耐受终端应用遇到的任何事件。这种策略的弊病在于，由于预先定义，器件必然属于保守设计 (over-designed)。这种“万能解决方案”往往不适合任何应用，效率低下，存在浪费，并且显然与减小解决方案尺寸的目标相悖。

　　第二种策略则是满足设计要求，通过整合一个保护功能来消除热问题。这种方法虽然更加复杂，但可以提供性能/尺寸和保护之间的平衡。这种热关断功能可控制门电路，在温度超过过热阈值时能够断开开关，从而保护器件。一旦回到阈值之下，器件就重新启动。这种保护功能的增加可以简化应用设计工程师对其特定应用中负载开关的评测，把设计要求减少为可以计量的功能集，并减小高估器件的可能性。

　　电源保护

负载开关可用于各种不同应用，包括 USB 或存储卡的接口保护，以及应用负载和电池或辅助电源接口的连接。正因为应用的多样性，保护应用设备免受电压和电流突发性变化所造成的损害成为一个重要问题。我们已经讨论了压摆率功能，可控制浪涌电流，尽可能减小电流尖刺和总线电压暂降，那么，又该如何在低压工作状态保护应用设备呢？目前先进的负载开关可提供欠压锁定 (UVLO) 功能，当电压过低时，这种功能可断开接口。欠压锁定的工作原理十分简单，就是在输入电压降至锁定阈值以下时，关断开关。

　　另一个重要的保护问题是有关突发电流的处理。简单的开关很少考虑电流的方向，但随着移动平台上的插入附件逐渐增多，在非预定/失控电流可能流经错误的方向，从而对元件造成损害时，提供保护功能就变得至关重要。在这种情形下，比较先进的负载开关越来越多地整合“反向电流阻断”功能，可以保护输入源免受输出端返流电流的损坏。在功能上，这类似于在电源路径上放置一个二极管，但不必牺牲效率。这在标准 USB 电源设计中相当重要，并可在有反向电流流经的情况下保护 USB主机。

　　系统保护

移动解决方案应用的融合在继续增加，而且不仅是对电源电路产生影响。若用户连接了一个不兼容的附件，设计工程师如何能够防止似乎无穷无尽的潜在危险呢？前面描述了可利用反向电流阻断功能来解决电流方向的问题，但仍存在简单过流情况的潜在问题。最新的负载开关通过增加模拟控制器来解决这一问题，并整合了过流保护 (OCP) 功能，可把电流限制在某个预定值上。由于把保护职责转移到电源连接上，这里事件发生迅速，而保护电路可以更快地进行响应，从而能够避免过流尖刺引起的元件损害，最终提高系统设计的稳健性。这种解决方案还可减少软硬件设计工作量，释放应用处理器负荷。

　　除过流保护功能之外，还有另外两种功能常用于在故障行为和恢复方法中提供灵活性。根据过流故障的原因，以及所需的响应，当检测到故障时，可能需要立即判断是硬故障还是严重的连接问题。这提供了最大限度的保护，同时还确保中断服务。第一个功能是消隐时间 (Blanking Time)，其定义了关断之前的延迟时间。这一功能让系统能够忽略关断之前的限流故障条件，从而提高系统的故障容限。它还可以实现故障自我修正和恢复，无需中断服务。当然，也许最好的是永远保持在限流模式下，不必纠错和命令关断。

　　一旦故障发生，设计工程师有两个选择来设置恢复方法。自动重启功能将重新初始化，并在预先设定的某一时间段之后闭合开关。这种功能可以通过让开关断开来确保最大限度的保护，而且由于无需用户重启，因此尽可能地减少系统中断。如果没有自动重启功能，用户可能需要重新开机以清除故障。

　　自简单的开关开始，负载开关经历了很长的发展路程，现在它不仅能够提供关键的功能，还为消费电子设计工程师带来许多改进措施。随着额外保护功能的增加，这也正是集成化的特征，我们现在看到一种趋势，即负载开关不仅提供功能，还可提供反馈至应用处理器的相关信息。我们将在下又进一步探讨这个问题。

　　功能性的下一步发展--> 提供信息

　　至此，我们已经讨论了负载开关从简单开关到日趋复杂的功能集成级别的发展历程。下一个趋势很可能是提供信息。虽然负载开关不能告诉应用控制器事件发生的原因 (‘Why’)，但却可以提供有关事件发生内容的信息 (‘What’)。

　　尽管这还只是初始阶段，现在的负载开关能够提供有助于决策制定的信息，例如，若负载开关通知应用处理器，因过流故障已关断，而应用控制器知道这个负载开关连接到 USB 端口，那么，应用处理器就可以推断有一个不兼容的器件被连接。知道了这一点，控制器就可以选择适当的替代算法来执行，或者是请求用户干预。虽然并没有提供大量信息，但已有可能把客户的不满减至最少，改善总体体验，同时完成主要的保护作用。

　　除了故障信息之外，还有可能提供输入电压的评测信息。如果存在输入电压，就表示有器件连接。了解到这一点，而且若一切看起来均正常，该信息可用于触发其它事件。这一信息可让应用处理器更好地了解正在发生什么，并能够进行适当的响应。

　　结语

　　本文回顾了负载开关的主要发展历史，并介绍了其在功能方面的最新成果。有一点至关重要，而这里并没有讨论到的是：我们必须认识到，包括硅技术和先进封装开发的支持技术是实现这些趋势和功能性水平的关键使能因素。在任何情况下，对于丰富的新型消费电子产品及其附件，负载开关显然起着重要的电路保护作用。