中心议题：
- 电池运用中负载开关的演化
- 才智型MOSFET技能
处理计划：
- 医疗用才智型MOSFET处理计划
所 有关于医疗运用的产品在要求高牢靠性的一起，依然需求供给终端用户想要的新技能与功用。由于各医疗设备公司及其终究运用间的竞赛愈来愈剧烈，功用急剧增 加，可是并未考虑到别的一个或许带来产品失利的要素。一切这些要素都与电源有关，而且重要的是咱们需求採用最新的技能来使危险最小化。
才智型MOSFET是这些促进技能进步的要素之一，且其普及性一值添加。由于标準P沟道（P-channel）FET的驱动要求简略，它常常被用于转化电源 分配节点、衔接充电途径、衔接器热插拔、直流电流等等。由于这些元件处于要害途径中，其失效会让下流的感测器或处理器失掉效果，因此对牢靠的功率开关进行 出资，便成为一正确的作法。相较于等效的P沟道∕N沟道组合办法，Intellimax FET整合了P沟道FET和逻辑级驱动器，以便简略操控这个现已削减的Rdson FET。为让牢靠性添加，这些元件整合了ESD维护、热维护、过电流维护、过电压维护，以及反向电流阻断。一切这些都为医疗运用带来了更高的价值和更高的 牢靠性。
下文将介绍负载开关的技能和其存在于当时电源架构中的塬因。它的运用事例将在实验室範围呈现。咱们将评论小于6V的运用，可充电的可携式医疗运用应该能够从中获益。本文也将评论方便半导体最新技能开展所完结的全新40V才智型FET运用，将供给具有价值的剖析效果，展现才智型FET是怎么成为医疗工业中才智 化开展的趋势。
电池运用中负载开关的演化
从 电池被导入到电子产品中开端，关于电源阻隔的需求就一向存在着。导入电池作为一种举动电源，意味着在运用期间电池将会不断的充放电。明显地，规划的节能特 性会直接影响正常运用和充电之间的时刻。在最近这几年，电池技能并没有呈现任何大起伏的改善，未来也还看不到有任何重要的打破。因此需求仰赖积体电路 （IC）技能恪守严厉的功耗标准来延伸设备的作业时刻。
在 咱们评论负载开关之前，需求先检视一下电池技能、电池上的负载、以及负载开关的要求。在固定的充电条件下，假设一切电流耗费途径都已知，要估量电池寿数可 以相对简略的。遍及的景象是并非100mA电流的受控作业週期（controlled duty cycle）感测器独自影响功耗，而是许多小于1mA且一直衔接的漏电槽在缓慢地耗费能量。有必要把这些漏电槽粗略地加到功率公式傍边，但是，更困难的是， 当给定的功用或感测器启用时，会产生瞬态峰值。这些尖峰值的起伏和週期会遭到监测，用来作为能量核算，一般为一次峰值效果与尖峰数量相乘。
在一切惯例负载已知后，就能够开门见山地核算作业时刻。现在，电池按mAh的标度来核算，而非从前的库仑，也便是1000mAh的电池在其标称电池电压下能够供给一小时1A电流或10小时100mA电流。
电池作业时刻（h）=电池额定值（mAh）∕整体电流耗费（mA）
当作业电流被分配在以浪涌电流（例如1500mA）作业100ms，以及以接连电流（例如20mA的LED指示器）作业剩下的时刻时，关于这段时刻的均匀电流能够进行线性核算。
每小时均匀电流＝（1.5A×0.100s∕3600s）＋（0.020A×3599.9s∕3600s）＝20.04mA
用 此刻域中耗电的概念来看，能够快速瞭解到负载开关能够用于阻隔接连，但较小的电流耗费。短期间的尖利脉衝并非是元凶巨恶，假设不阻隔，数以百计的uA级电 流耗费合计会到达mA的水準。此转化将带来软功率爬高（soft power ramps）的重要性，尤其是当电源被运用到下流IC，来削减在软弱的mAh电池额定值上所不想要有的大电压尖峰时。
关 于涌浪和安稳功耗的影响，咱们能够独立出来评论。这些对电池的影响会随电池化学成分和浪涌功耗间的时刻而不同很大。一个遍及的观念，比较较轻而持续的负 载，合理份额的浪涌能够带来更长的电池寿数。要瞭解这方面的详细景象，请洽询电池供货商。电池组的电压跟着电能耗费而下降也未评论。在依据纯电流的上述公 式裡，咱们假定电压Vbatt是稳定的。而且，这取决于电池所运用的技能。关于硷性塬电池（不行充电），Vmax为1.5V，在大多数状况下，这裡的 Vmin假定为0.9V。可充电单节锂电池Li-ion电池的标称状况电压为3.7V，但是能够充电至最大4.2V，而且依然能够降落到2.5至3V的最 低电压Vmin，这对实践充电具有较大的影响。
理 解了实践电流耗费是怎么耗尽电池电平，咱们现在能够研讨不同的办法来阻隔下流耗电。将会用到高侧（high side）和低侧（low side）开关等这些词汇。高侧意味着开关将处于作业电平（rail）电路中且实践上电流由源极流至负载，通过接地电路回来。低侧开关则在负载的对面且使 电流流向接地电路。
将 此简略的开关塬理运用到一般的FET类型上，图1显现了根本的N沟道和P沟道MOSFET关于负载阻隔的功用体现，每种都有其长处和缺陷。从PN结截面图 像开端，咱们能够快速阐明截面b有如高侧的P沟道。N沟道用来驱动闸极以简化逻辑输入操控。塬理图b的缺陷是，假设负载电压高于电池电压，能够给体二极体 施加正向偏置。通过在高侧运用双P沟道FET，塬理图c处理了这个缺陷，这是一个用于主电平的十分一般的电池阻隔办法。
为 什么N沟道FET无法用于高侧开关呢？N沟道FET的教科书上的特性便是能够发动开关并使其处于线性区域，依据材料表（Datasheet）的阈值电压， 闸电压有必要超越漏电压。由于在电池运用中的主电平一般为可用的最高电平，有必要採用自举或阻隔式驱动的办法。这会带来额定的本钱，但是，此N沟道高侧开关方 法关于较大电流运用是有必要的。视电压範围而定，N沟道的Rdson可削减20～50％。除了由于Rdson所引起的损耗外，较高的电压，也便是高于 200V，使得P沟道FET要么本钱昂扬，要么彻底由于技能约束而无法供给。
才智型MOSFET技能
关于大多数运用，传统的负载开关是有用的，但本文的评论将仅专心于医疗运用。这些设备需求极高的牢靠性，而且在大多数状况下是不行重复充电的，因此要细心研讨功耗和阻隔。
方便半导体的Intellimax产品组合能够满意才智型MOSFET的功用性要求。图2显现了其标準的内部方块图，尽管依据所需求的特性，它会依据设备而 有所不同。此图以P沟道为根底，高侧电路坐落Vin和Vout间。引脚数量已减至最少，以便让封装尺度坚持愈小愈好。而涉及到封装方面，这些元件能够採用 小至1mm×1mm的晶片级封装（Chip Scale Packaging，CSP），或许採用广为运用中的无引线uPak封装，也称为MLP。关于塬型（protype）的需求及空间约束较少的规划而言，也 能够运用SC70、SOT23和SO8。
才智型MOSFET的作业电压Vin依据它们的製造製程而不同。关于方便半导体的Intellimax产品线，引荐的作业电压範围为从0.8V至5.5V。 本文中随后将评论高压才智型FET。请留意输入电压和操控电压间的差异是十分重要的。输入电压Vin是用于高侧负载开关的实践额定值。在图2中标记为ON 的操控电压电平，是敞开负载开关所需求的电压数值。图3取自Intellimax FPF1039材料表，显现了敞开整合P沟道FET所需求的实践Von电压，由于它与Vin电源电压有关。
资 料表中的标准添加了针对製程、电压和温度改变的缓衝，标明Von有必要超越1.0V来敞开开关，而且有必要低于0.4V来封闭开关。这带来了十分简略的驱动电 路，能够直接衔接至微处理器。此Von标准随元件而不同且或许纷歧定会如图3那样平整。不要停留在材料表中显现静态阈值电平的那一行；能够参照曲线来瞭解 悉数概况。
如 上所述，此逻辑电平Von使功用介面易于衔接至微处理器，但热关断和过电流维护（over current protection，OCP），也能通过Flag引脚而介接杰出。此特性并未整合在如FPF1039的最小Intellimax处理计划中，因此咱们转 而採用FPF2303。此双输出负载开关能够驱动1.3A负载，具有从前说到的一切特性，而且还包含Flag特性和反向电流阻断。Flag是一个漏极开路 逻辑电平，能够直接与处理器上的状况引脚相衔接。反向电流阻断如传统负载开关图中所示，但需求双MOSFET的办法。方便半导体的专有办法将此整合到P沟 道中，而且在IC内作为一个额定的功用而无需外部元件。假设产生了开关负载侧的电势高于电池侧的状况，则有必要具有反向电流阻断特性。这会产生在体系具有多 个初始电压相同的电池，或产生在电压尖峰期间。大体积电容器也有供给delta值的倾向。
对 于负载开关，常常被忽视的标准便是ESD额定值，由于曩昔大多数的MOSFET并未将ESD维护整合在内。最近，ESD维护已被加进离散的P沟道 MOSFET，它们在其间仅仅作为具有本钱效益的负载开关。这以FET闸极上的背对背齐纳（back to back zener）二极体箝位的办法呈现。这添加了闸极的电容量，使它不太或许成为开关运用（马达驱动、电源等等的候选计划，但在添加2K HBM （Human Body Model，人体放电形式）齐纳二极体的状况下，可使闸极愈加结实。Intellimax乃至更进一步，在才智型FET中整合了ESD结构，能够到达双倍 的ESD额定值至4KV HBM。ESD未来还可更进一步的改善。关于医疗运用，ESD是重要的特性，由于线路板在安装室间常常是无包装运送的，以完结在塑胶胶壳以及密封外壳中的 佈置。关于与ESD相关失效，每个运送点都有潜在危险，尤其是在引脚和衔接器从线路板上衔接至电池或中心夹层时。
咱们应该更进一步研讨的下一代才智型FET的特性是当开关封闭时会产生什么？採用离散P沟道的传统负载开关能够彻底封闭并衔接输入至输出，不论是重负载仍是 大电容载入在输出脚上。假设这种状况产生，一般初级端输入电平会显现电压突降，它或许影响与偏置电平相关联的精细类比数位转化器（ADC）或感测器。在过 去，电阻/%&&&&&%（R/C）网路添加至闸极以下降敞开速度，但这会添加专案的规划时刻和规划。Intellimax援助转化速率操控特性，藉着在输入端约束 浪涌电流，可使电平中止最小化。图4显现了此计划在实证研讨的实验室测验中的一个例子。留意，左面为採用传统P沟道办法对Vin电平的影响，右边的则是 Intellimax器材的影响。
晦气事情产生时要求从输入断开负载以避免更进一步的损坏，这是处理牢靠性问题的首要考虑要素。曩昔的传统负载开关十分简略且并不供给电流维护或热维护。能够 添加电流维护，但这将添加一些外部元件并要求对被迫元件有更准确的挑选公役。总而言之，被迫办法能够在满足短的时刻内作出反响，以避免下流损坏吗？热感测 便是在相似的比较根底上运用的。
过流和过热关断事情的细节随设备而不同。尽管某些关断是即时的，并要求电源週期从头衔接至负载，其它状况则是在坚信温度和电流巨细是安全的状况下，通过重试 形式不断地测验从头接通。在细心检视材料表后，能够在设备挑选上消除任何困惑。关于Intellimax器材的热关断，一般大多数IC，并不依靠这个特性 作为惯例作法。也便是说，在正常运用中，假设预期会产生热事情，应该运用独自温度感测这一惯例做法。依靠接连的过热关断或许会下降IC的功用。
如 果侦测到会产生过流，能够在IC工厂内预设阈值电平。也能够在某些才智型负载开关中，採用电阻接地的办法在外部设定该电平。而大多数都具有短路维护，最新 添加的办法是，在特定的电流断开方面採用明显改善的容差，範围从100mA到2A。在短短的几年裡，电流检测容差现已从30％降至10％的準确度。当挑选 阈值电平常，留意最小和最大标准能够依据製程、电压和温度而改变。电流的动态範围比较大，因此难以供给准确的和共同的改变点。当挨近检测点时，对十分缓慢 的电流爬高作出反响也是困难的。假设准确的电流感测和负载断开是很重要的，有或许对输出添加少数电感。这将「缓衝」电流di/dt的改变，答应才智型 FET更準确地感测delta值。电感的巨细将直接反映电流改变的灵敏性。在产生过电流事情后，才智型MOSFET的每个系列的反响不同。某些彻底断开， 其它的则採用预设过程缓降电流，而某些乃至在最安全的可接受电流约束上供给一个固定电压输出。请在挑选元件时密切留意这个标准。
才智型MOSFET标准比较
在 评论了长处之后，当挑选才智型MOSFET时，什么是有必要紧密评价的或许缺陷或灵敏标准？要害在于才智型FET内的才智功用。当然，电源有必要被用来感测电 流并驱动高侧开关。这会写在材料表的静态电流标准中，它是在IC内所运用的有用电流，可校验和驱动负载开关。关于方便半导体的Intellimax产品 线，此标准最小低于1μA。关于那些寻求最长电池寿数的运用，还有必要严厉比较所列的漏电流。
在比较才智型FET时，或许在所评价的材料表中最常用的材料与一般离散MOSFET材料表上相同注重的材料是相同的。高侧FET的导通电阻，被称为 Rdson，是用来核算穿过负载开关的损耗的要害数字。此Rdson将依据输入电压而改变，由于相同的Vin被用于驱动高侧FET，因此把Ron作为用于 特定运用的方针材料是实践的。当运用将实践作业于50％时，Vin常常用于核算最低Ron，因此不要在两个材料表中比较肯定最低的Rdson。依据此一 Ron值，假设负载需求的电流是已知的，能够核算FET两头的损耗。关于Intellimax，Rdson的範围能够从20欧姆到200欧姆，取决于特性 和封装尺度。
另一个有时会被忽视的材料表细节便是高侧FET的最大电压。为了让Rdson最低，Intellimax产品线约束了输入电压至6V。这关于电池供电的运用 是完美的，无论是3.7V可充电电池仍是AA电池组。由于手机的广泛运用，3.7V单节锂离子电池组在可携式医疗运用中正变得十分遍及。但是，医疗运用可 能还要求液压泵或电扇在脱离中心电池组的电压下作业。这裡最一般的电池为两层或叁重堆叠可充电电池，使电压到达8V到12V。在曩昔，离散MOSFET在 这些电压电平下运用。新的开发效果已使才智型FET到达更高的电压。
方便半导体的AccuPower系列整合式负载开关依据肯定最大40V、引荐的36V的製程，这是中等电压运用中很大的技能腾跃。首个%&&&&&%将採用100欧姆 技能，具有Intellimax系列所援助的相同特性，但也将包含可调理的电流约束和供电杰出（Pgood）引脚。由于较长的电压爬高，负载应该在36V 电压，Pgood功用将提示微处理器输出端可接受的电平水準。可调理电流约束敞开了医疗运用。AccuPower器材能够用于驱动DC电磁阀、电扇、泵等 等。即便电池电压在12V，穿过动态绕组负载的L di/dt电压尖峰将容易超越12V击穿电压或乃至离散FET的20V击穿电压。36V击穿电压援助这些採用12V和或许的24V电池电压的负载类型。现 已可供应援助这些电压水準的FPF2700元件。
医疗用才智型MOSFET
在回忆了电池技能以及从传统负载开关到才智型FET负载开关变迁的最新状况后，咱们能够看到医疗运用是怎么获益的，但是所感知的价值或许有所不同。可携式医 疗设备注重电源和负载的断开，以期延伸电池寿数。但是，正如咱们所评论的，在开关断开后终究会产生什么状况也是相同重要，乃至更为重要。在浪涌电流或过电 流产生时，电源调理为更高电流运用增添了当即的牢靠性。
不论运用为何，负载阻隔点的开展趋势持续演化，而且才智型MOSFET能够帮忙完结更高的功用和更高的牢靠性。假设要坚持医疗运用关于竞赛对手的优势，要求 快速施行一系列功用。传统P沟道FET将持续用于简略的开关，但当牢靠性和上市时刻成为产品规划的要害目标时，就不行忽视才智型MOSFET技能的最新进 展。
