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。