智能MOSFET提高醫(yī)療設(shè)計(jì)的可靠性同時(shí)提升性能

所有的醫(yī)療應(yīng)用在要求高可靠性的同時(shí)仍然要為最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，他們的最終應(yīng)用、功能急劇增加，但是沒有考慮到另外一個(gè)可能的失效點(diǎn)的影響。在所有這些點(diǎn)都需要電源，并且采用最新技術(shù)進(jìn)展來使風(fēng)險(xiǎn)最小化是非常重要的。

智能MOSFET是促進(jìn)醫(yī)療應(yīng)用一直普遍增長的動(dòng)因之一。由于標(biāo)準(zhǔn)P溝道(P-channel) FET的驅(qū)動(dòng)要求簡單，它常常被用于轉(zhuǎn)換電源分配節(jié)點(diǎn)、連接充電路徑、連接器熱插拔、直流電流等等。因?yàn)檫@些器件處于關(guān)鍵線路中，其失效會(huì)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(dòng)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(jià)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(shí)驗(yàn)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(jìn)展所實(shí)現(xiàn)的全新40V智能FET應(yīng)用，并給出非常具有價(jià)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(dòng)電源意味著在使用期間電池將會(huì)消耗并必須再次充電。顯然，設(shè)計(jì)的節(jié)能特性會(huì)直接影響正常使用和充電之間的時(shí)間。在最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(shí)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(dú)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(shí)，會(huì)發(fā)生瞬態(tài)峰值。在幅度和持續(xù)時(shí)間方面，這些尖峰值會(huì)受到監(jiān)控，允許能量計(jì)算時(shí)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?jì)算工作時(shí)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(shí)1A電流或10小時(shí)100mA電流。

電池工作時(shí)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(shí)，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(shí)間，那么對于那些時(shí)間的平均電流可以進(jìn)行線性計(jì)算。

每小時(shí)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(shí)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(jì)的uA級(jí)電流消耗合計(jì)會(huì)達(dá)到mA的水平。因?yàn)楣β誓軌蚴瓜掠蜪C減少不需要的大電壓尖峰,從而不會(huì)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(shí)，可以單獨(dú)討論浪涌的影響。對電池的影響會(huì)隨電池化學(xué)成分和浪涌間的時(shí)間而差別很大。通?？梢越邮芟鄬^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?？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(shí)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(shí)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(diǎn)和缺點(diǎn)。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(dòng)?xùn)艠O以簡化邏輯輸入控制。原理圖b的缺點(diǎn)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(gè)缺點(diǎn)，這是一個(gè)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?yàn)樵陔姵貞?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(dòng)的方法。這會(huì)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(huì)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(jí)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(jì)，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(hào)驅(qū)動(dòng)的N溝道 c) 當(dāng)不啟用時(shí)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(cuò)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(shí)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(shí)際Von電壓，因?yàn)樗cVin電源電壓有關(guān)。

圖3 顯示了FPF1039 Von啟動(dòng)閾值電壓，用于數(shù)據(jù)表中所示的高 電平和低電平?？v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(dòng)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(huì)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的最小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(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)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?yàn)檫^去的大多數(shù)MOSFET并不集成ESD保護(hù)。最近，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(dòng)、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?yàn)榫€路板在裝配室間常常是無包裝運(yùn)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(gè)運(yùn)送點(diǎn)都有 ESD相關(guān)失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)。

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(shí)會(huì)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(jí)端輸入電平會(huì)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(huì)增加項(xiàng)目的設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)證研究的實(shí)驗(yàn)室測試中的一個(gè)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(shí)要求從輸入斷開負(fù)載以防止更進(jìn)一步的損壞，這是解決可靠性問題的重點(diǎn)考慮因素。過去的傳統(tǒng)負(fù)載開關(guān)非常簡單且并不提供電流保護(hù)或熱保護(hù)。可以增加電流保護(hù)，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(shí)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(xì)節(jié)隨設(shè)備而不同。雖然某些關(guān)斷是即時(shí)的，并要求電源循環(huán)重新連接至負(fù)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(xì)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(gè)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(dú)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(fù)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(hù)，最新增加的方法為在特定的電流斷開方面采用顯著改進(jìn)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(shí)，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(dòng)態(tài)范圍比較大，因而難以提供精確的和一致的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。當(dāng)接近檢測點(diǎn)時(shí)，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(fù)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(gè)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(gè)固定電壓輸出。請?jiān)谶x擇元件時(shí)密切注意這個(gè)規(guī)格。

圖4 左邊是傳統(tǒng)負(fù)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(dòng)電流控制?？梢钥吹皆谳斎腚娖缴嫌?40mV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(diǎn)之后，當(dāng)選擇智能MOSFET時(shí)，什么是必須嚴(yán)密評估的缺點(diǎn)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(dòng)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(yàn)和驅(qū)動(dòng)負(fù)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(shí)，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(jì)算穿過負(fù)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?yàn)橄嗤腣in被用于驅(qū)動(dòng)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(shí)際的。當(dāng)應(yīng)用將實(shí)際工作于50%時(shí)，Vin常常用于計(jì)算最低Ron，因而不要在兩個(gè)數(shù)據(jù)表中比較絕對最低的Rdson。基于此 Ron值，如果負(fù)載需要的電流是已知的，可以計(jì)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(gè)有時(shí)忽視的數(shù)據(jù)表細(xì)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(jī)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(dá)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(dá)到更高的電壓。

飛兆半導(dǎo)體的AccuPower系列集成負(fù)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(gè)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?yàn)檩^長的電壓爬升，負(fù)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(dòng)DC電磁閥、風(fēng)扇、泵等等。即使電池電壓在12V，穿過動(dòng)態(tài)繞組負(fù)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(fù)載類型。現(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(fù)載開關(guān)到智能FET負(fù)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(fù)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(huì)發(fā)生什么更為重要。在浪涌電流或過電流發(fā)生時(shí)，電源調(diào)節(jié)為更高電流應(yīng)用增添了即時(shí)可靠性。

不管應(yīng)用為何，負(fù)載隔離點(diǎn)的發(fā)展趨勢繼續(xù)演進(jìn)，并且智能MOSFET可以幫助實(shí)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(shí)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(shí)間成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，智能MOSFET技術(shù)的最新進(jìn)展就成為關(guān)注的重點(diǎn)。