智能MOSFET提高醫(yī)療設(shè)計的可靠性同時提升性能

所有的醫(yī)療應(yīng)用在要求高可靠性的同時仍然要為最終用戶提供所需的技術(shù)進步。由于各醫(yī)療設(shè)備公司間競爭激烈，他們的最終應(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，并且采用最新技術(shù)進展來使風(fēng)險最小化是非常重要的。

智能MOSFET是促進醫(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、熱保護、過電流保護、過電壓保護，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)體最新技術(shù)進展所實現(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)用的負載開關(guān)的演進

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。在最近這些年里電池技術(shù)沒有獲得任何主要改進，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。

在我們討論負載開關(guān)之前，需要看看電池技術(shù)、電池上的負載、以及負載開關(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)祝绻桓綦x，數(shù)以百計的uA級電流消耗合計會達到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^輕而持續(xù)的負載，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?？沙潆妴喂?jié)鋰電池的標(biāo)稱狀態(tài)電壓為3.7V，然而可以充電至最大4.2V，而且仍然可以降落到2.5至3V的最低電壓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載，通過接地電路返回。低邊開關(guān)則在負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最高電平，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)量最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(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的最小Intellimax解決方案中，因而我們轉(zhuǎn)向 FPF2303。此雙輸出負載開關(guān)能夠驅(qū)動1.3A負載，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。最近，常常用作簡單的具有成本效益的負載開關(guān)的分立 P溝道MOSFET中已加入了ESD保護，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甚至更進一步，在智能FET中集成了ESD結(jié)構(gòu)，可以達到雙倍的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)負載開關(guān)可以完全關(guān)閉并連接輸入至輸出，不管是重負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 (ADC)或傳感器。在過去，電阻/電容(R/C)網(wǎng)絡(luò)添加至柵極以減慢開啟速度，但這會增加項目的設(shè)計時間和規(guī)模。Intellimax支持轉(zhuǎn)換速率控制特性，通過在輸入端限制浪涌電流，可使電平中斷最小化。圖4顯示了此方案在實證研究的實驗室測試中的一個例證。注意，左邊為采用傳統(tǒng)P溝道方法對Vin 電平的影響，對比右邊的Intellimax器件。

采用智能MOSFET增加可靠性

不利事件發(fā)生時要求從輸入斷開負載以防止更進一步的損壞，這是解決可靠性問題的重點考慮因素。過去的傳統(tǒng)負載開關(guān)非常簡單且并不提供電流保護或熱保護?？梢栽黾与娏鞅Ｗo，但這將增加一些外部元件并要求對無源元件精確選擇公差?？偠灾瑹o源方式能夠在足夠短的時間內(nèi)作出反應(yīng)來防止下游損壞嗎？熱感測就是在類似的比較基礎(chǔ)上應(yīng)用的。

過流和過熱關(guān)斷事件的細節(jié)隨設(shè)備而不同。雖然某些關(guān)斷是即時的，并要求電源循環(huán)重新連接至負載，其它狀況則是在確信溫度和電流大小是安全的情況下，經(jīng)過重試模式不斷地嘗試重新接通。仔細回顧數(shù)據(jù)表可以在設(shè)備選擇上消除任何困惑。對于Intellimax器件的熱關(guān)斷，通常大多數(shù)IC，并不依賴這個特性作為常規(guī)作法。也就是說，在正常使用中如果預(yù)期發(fā)生熱事件，應(yīng)該使用單獨溫度感測這一常規(guī)做法。依賴連續(xù)的過熱關(guān)斷可能使IC性能降低。

如果預(yù)期發(fā)生過流事件，可以在IC工廠內(nèi)預(yù)設(shè)閾值電平。也可以在某些智能負載開關(guān)中，采用電阻接地的方法在外部設(shè)定該電平。而大多數(shù)都具有短路保護，最新增加的方法為在特定的電流斷開方面采用顯著改進的容差，范圍從100mA到2A。在短短的幾年里，電流檢測容差已經(jīng)從30%降落至10%的準(zhǔn)確度。當(dāng)選擇閾值電平時，注意最小和最大規(guī)格可以根據(jù)工藝、電壓和溫度而變化。電流的動態(tài)范圍比較大，因而難以提供精確的和一致的轉(zhuǎn)變點。當(dāng)接近檢測點時，對非常緩慢的電流爬升作出反應(yīng)也是困難的。假如精確的電流感測和負載斷開是至關(guān)重要的，有可能對輸出增加少量電感。這將“緩沖”電流di/dt的變化，允許智能 FET更準(zhǔn)確地感測delta值。電感的大小將直接反映電流轉(zhuǎn)變的敏感性。在發(fā)生過電流事件后，智能MOSFET的每個系列的反應(yīng)不同。某些完全斷開，其它的則采用預(yù)設(shè)步驟緩降電流，而某些甚至在最安全的可承受電流限制上提供一個固定電壓輸出。請在選擇元件時密切注意這個規(guī)格。

圖4 左邊是傳統(tǒng)負載開關(guān)，無電流限制或浪涌電流控制，也即在P溝道上沒有柵極驅(qū)動電流控制。可以看到在輸入電平上有240mV的電壓降。右邊的圖形顯示了在Intellimax集成轉(zhuǎn)換速率控制特性下的平直Vin。

選擇智能MOSFET的規(guī)格比較

在討論了優(yōu)點之后，當(dāng)選擇智能MOSFET時，什么是必須嚴(yán)密評估的缺點或敏感規(guī)格？關(guān)鍵在于智能FET內(nèi)的智能性。當(dāng)然，電源是用來感測電流并驅(qū)動高邊開關(guān)所必需的。這表現(xiàn)在數(shù)據(jù)表的靜態(tài)電流規(guī)格中，它是在IC內(nèi)所使用的有效電流，可校驗和驅(qū)動負載開關(guān)。對于飛兆半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品線，此規(guī)格最小低于1μA。對于那些尋求最長電池壽命的應(yīng)用，還必須嚴(yán)格比較所列的漏電流。

在比較智能FET時，或許在所評估的數(shù)據(jù)表中最常用的行數(shù)據(jù)與普通分立MOSFET數(shù)據(jù)表上同樣關(guān)注的行數(shù)據(jù)是相同的。高邊FET的導(dǎo)通電阻，被稱為 Rdson，是用來計算穿過負載開關(guān)的損耗的關(guān)鍵數(shù)字。此Rdson將基于輸入電壓而變化，因為相同的Vin被用于驅(qū)動高邊FET，因而把Ron作為用于特定應(yīng)用的目標(biāo)數(shù)據(jù)是實際的。當(dāng)應(yīng)用將實際工作于50%時，Vin常常用于計算最低Ron，因而不要在兩個數(shù)據(jù)表中比較絕對最低的Rdson?；诖?Ron值，如果負載需要的電流是已知的，可以計算穿過FET的損耗。對于Intellimax，Rdson的范圍可以從20歐姆到200歐姆，取決于特性和封裝尺寸。

另一個有時忽視的數(shù)據(jù)表細節(jié)就是高邊FET的最大電壓。為了Rdson最低，Intellimax產(chǎn)品線限制了輸入電壓至6V。這對于電池供電的應(yīng)用是完美的，無論是3.7V可充電電池還是AA電池組。由于手機的廣泛應(yīng)用，3.7V單節(jié)鋰離子電池組在便攜式醫(yī)療應(yīng)用中正變得非常普遍。然而，醫(yī)療應(yīng)用可能還要求液壓泵或風(fēng)扇在脫離核心電池組的電壓下工作。這里最普通的電池為雙重或三重堆疊可充電電池，使電壓達到8V到12V。在過去，分立MOSFET在這些電壓電平下使用。新的開發(fā)成果已使智能FET達到更高的電壓。

飛兆半導(dǎo)體的AccuPower系列集成負載開關(guān)基于絕對最大40V、推薦36V的工藝，這是中等電壓應(yīng)用中很大的技術(shù)飛躍。首個IC將使用100歐姆技術(shù)，具有Intellimax系列所支持的相同特性，但也將包括可調(diào)節(jié)的電流限制和供電良好(Pgood)引腳。因為較長的電壓爬升，負載應(yīng)該在36V電壓，Pgood功能將提示微處理器輸出端可接受的電平水平?？烧{(diào)節(jié)電流限制開啟了醫(yī)療應(yīng)用。AccuPower器件可以用于驅(qū)動DC電磁閥、風(fēng)扇、泵等等。即使電池電壓在12V，穿過動態(tài)繞組負載的L di/dt電壓尖峰將輕易超過12V擊穿電壓或甚至分立FET的20V擊穿電壓。36V擊穿電壓支持這些采用12V和可能的24V電池電壓的負載類型?，F(xiàn)已提供支持這些電壓水平的FPF2700器件。

醫(yī)療用智能MOSFET

在回顧電池技術(shù)以及從傳統(tǒng)負載開關(guān)到智能FET負載開關(guān)變遷的更新情況后，我們可以看到醫(yī)療應(yīng)用是如何受益的。便攜式醫(yī)療設(shè)備重視電源和負載的斷開，以期延長電池壽命。然而，正如我們所討論的，在開關(guān)斷開后究竟會發(fā)生什么更為重要。在浪涌電流或過電流發(fā)生時，電源調(diào)節(jié)為更高電流應(yīng)用增添了即時可靠性。

不管應(yīng)用為何，負載隔離點的發(fā)展趨勢繼續(xù)演進，并且智能MOSFET可以幫助實現(xiàn)更高的性能和更高的可靠性。要保持在醫(yī)療應(yīng)用上對于競爭對手的優(yōu)勢，必須快速實施一系列功能。傳統(tǒng)P溝道FET將繼續(xù)用于簡單的開關(guān)，但當(dāng)可靠性和上市時間成為產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)時，智能MOSFET技術(shù)的最新進展就成為關(guān)注的重點。