用智能MOSFET提升医疗设计可靠性及性能 - 全文

　　所有关于医疗应用的产品在要求高可靠性的同时，仍然需要提供终端用户想要的新技术与功能。由于各医疗设备公司及其最终应用间的竞争愈来愈激烈，功能急剧增加，但是并未考虑到另外一个可能带来产品失败的因素。所有这些因素都与电源有关，而且重要的是我们需要採用最新的技术来使风险最小化。

　　智慧型MOSFET是这些促进技术进步的因素之一，且其普及性一值增加。由于标準P沟道（P-channel）FET的驱动要求简单，它常常被用于转换电源分配节点、连接充电路径、连接器热插拔、直流电流等等。因为这些元件处于关键路径中，其失效会让下游的感测器或处理器失去作用，因而对可靠的功率开关进行投资，便成为一明智的作法。相较于等效的P沟道∕N沟道组合方法，Intellimax FET整合了P沟道FET和逻辑级驱动器，以便简单控制这个已经减少的Rdson FET。为让可靠性增加，这些元件整合了ESD保护、热保护、过电流保护、过电压保护，以及反向电流阻断。所有这些都为医疗应用带来了更高的价值和更高的可靠性。

　　下文将介绍负载开关的技术和其存在于当前电源架构中的塬因。它的应用案例将在实验室範围呈现。我们将讨论小于6V的应用，可充电的可携式医疗应用应该可以从中受益。本文也将讨论快捷半导体最新技术进展所实现的全新40V智慧型FET应用，将提供具有价值的分析结果，展示智慧型FET是如何成为医疗产业中智慧化发展的趋势。

　　电池应用中负载开关的演变

　　从电池被导入到电子产品中开始，对于电源隔离的需求就一直存在着。导入电池作为一种行动电源，意味着在使用期间电池将会不停的充放电。显然地，设计的节能特性会直接影响正常使用和充电之间的时间。在最近这几年，电池技术并没有出现任何大幅度的改进，未来也还看不到有任何重要的突破。因此需要仰赖积体电路（IC）技术遵守严格的功耗规格来延长设备的工作时间。

　　在我们讨论负载开关之前，需要先检视一下电池技术、电池上的负载、以及负载开关的要求。在固定的充电条件下，如果所有电流消耗路径都已知，要估计电池寿命可以相对简单的。普遍的情形是并非100mA电流的受控工作週期（controlled duty cycle）感测器单独影响功耗，而是许多小于1mA且始终连接的漏电槽在缓慢地消耗能量。必须把这些漏电槽粗略地加到功率公式当中，然而，更困难的是，当给定的功能或感测器启用时，会发生瞬态峰值。这些尖峰值的幅度和週期会受到监测，用来作为能量计算，通常为一次峰值结果与尖峰数量相乘。

　　在所有常规负载已知后，就可以直截了当地计算工作时间。目前，电池按mAh的标度来计算，而非先前的库仑，也就是1000mAh的电池在其标称电池电压下可以提供一小时1A电流或10小时100mA电流。

　　电池工作时间（h）=电池额定值（mAh）∕总体电流消耗（mA）

　　当工作电流被分配在以浪涌电流（例如1500mA）工作100ms，以及以连续电流（例如20mA的LED指示器）工作剩余的时间时，对于这段时间的平均电流可以进行线性计算。

　　每小时平均电流＝（1.5A×0.100s∕3600s）＋（0.020A×3599.9s∕3600s）＝20.04mA

　　用此时域中耗电的概念来看，可以快速瞭解到负载开关可以用于隔离连续，但较小的电流消耗。短期间的尖锐脉衝并非是罪魁祸首，如果不隔离，数以百计的uA级电流消耗合计会达到mA的水準。此转换将带来软功率爬升（soft power ramps）的重要性，尤其是当电源被使用到下游IC，来减少在脆弱的mAh电池额定值上所不想要有的大电压尖峰时。

　　关于涌浪和稳定功耗的影响，我们可以独立出来讨论。这些对电池的影响会随电池化学成分和浪涌功耗间的时间而差别很大。一个普遍的观念，相比较轻而持续的负载，合理比例的浪涌可以带来更长的电池寿命。要瞭解这方面的具体情形，请洽询电池供应商。电池组的电压随着电能消耗而下降也未讨论。在基于纯电流的上述公式裡，我们假设电压Vbatt是恒定的。而且，这取决于电池所使用的技术。对于硷性塬电池（不可充电），Vmax为1.5V，在大多数情况下，这裡的Vmin假设为0.9V。可充电单节锂电池Li-ion电池的标称状态电压为3.7V，然而可以充电至最大4.2V，而且仍然可以降落到2.5至3V的最低电压Vmin，这对实际充电具有较大的影响。

　　理解了实际电流消耗是如何耗尽电池电平，我们现在可以研究不同的方法来隔离下游耗电。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工作电平（rail）电路中且实际上电流由源极流至负载，通过接地电路返回。低侧开关则在负载的对面且使电流流向接地电路。

　　将此简单的开关塬理应用到普通的FET类型上，图1显示了基本的N沟道和P沟道MOSFET对于负载隔离的性能表现，每种都有其优点和缺点。从PN结截面图像开始，我们可以快速说明截面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控制。塬理图b的缺点是，假如负载电压高于电池电压，能够给体二极体施加正向偏置。通过在高侧使用双P沟道FET，塬理图c解决了这个缺点，这是一个用于主电平的非常普通的电池隔离方法。

　　为什么N沟道FET无法用于高侧开关呢？N沟道FET的教科书上的特性就是能够启动开关并使其处于线性区域，根据资料表（Datasheet）的阈值电压，闸电压必须超过漏电压。因为在电池应用中的主电平通常为可用的最高电平，必须採用自举或隔离式驱动的方法。这会带来额外的成本，然而，此N沟道高侧开关方法对于较大电流应用是必须的。视电压範围而定，N沟道的Rdson可减少20～50％。除了由于Rdson所引起的损耗外，较高的电压，也就是高于200V，使得P沟道FET要么成本高昂，要么完全由于技术限制而无法提供。

　　

　　智慧型MOSFET技术

　　对于大多数应用，传统的负载开关是有效的，但本文的讨论将仅专注于医疗应用。这些设备需要极高的可靠性，并且在大多数情况下是不可重复充电的，因此要认真研究功耗和隔离。

　　快捷半导体的Intellimax产品组合能够满足智慧型MOSFET的功能性要求。图2显示了其标準的内部方块图，虽然基于所需要的特性，它会根据设备而有所不同。此图以P沟道为基础，高侧电路位于Vin和Vout间。引脚数量已减至最少，以便让封装尺寸保持愈小愈好。而涉及到封装方面，这些元件可以採用小至1mm×1mm的晶片级封装（Chip Scale Packaging，CSP），或者採用广为使用中的无引线uPak封装，也称为MLP。对于塬型（protype）的需要及空间限制较少的设计而言，也可以使用SC70、SOT23和SO8。

　　

　　智慧型MOSFET的工作电压Vin根据它们的製造製程而不同。对于快捷半导体的Intellimax产品线，推荐的工作电压範围为从0.8V至5.5V。本文中随后将探讨高压智慧型FET。请注意输入电压和控制电压间的差异是非常重要的。输入电压Vin是用于高侧负载开关的实际额定值。在图2中标记为ON的控制电压电平，是开启负载开关所需要的电压数值。图3取自Intellimax FPF1039资料表，显示了开启整合P沟道FET所需要的实际Von电压，因为它与Vin电源电压有关。

　　资料表中的规格增加了针对製程、电压和温度变化的缓衝，表明Von必须超过1.0V来开启开关，并且必须低于0.4V来关闭开关。这带来了非常简单的驱动电路，可以直接连接至微处理器。此Von规格随元件而不同且可能不一定会如图3那样平坦。不要停留在资料表中显示静态阈值电平的那一行；可以参照曲线来瞭解全部详情。

　　

　　如上所述，此逻辑电平Von使功能介面易于连接至微处理器，但热关断和过电流保护（over current protection，OCP），也能通过Flag引脚而介接良好。此特性并未整合在如FPF1039的最小Intellimax解决方案中，因而我们转而採用FPF2303。此双输出负载开关能够驱动1.3A负载，具有先前提到的所有特性，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态引脚相连接。反向电流阻断如传统负载开关图中所示，但需要双MOSFET的方法。快捷半导体的专有方法将此整合到P沟道中，并且在IC内作为一个额外的功能而无需外部元件。假如发生了开关负载侧的电势高于电池侧的状况，则必须具备反向电流阻断特性。这会发生在系统具有多个初始电压相同的电池，或发生在电压尖峰期间。大体积电容器也有提供delta值的倾向。

　　对于负载开关，经常被忽视的规格就是ESD额定值，因为过去大多数的MOSFET并未将ESD保护整合在内。最近，ESD保护已被加进离散的P沟道MOSFET，它们在其中只是作为具有成本效益的负载开关。这以FET闸极上的背对背齐纳（back to back zener）二极体箝位的形式出现。这增加了闸极的电容量，使它不太可能成为开关应用（马达驱动、电源等等的候选方案，但在增加2K HBM （Human Body Model，人体放电模式）齐纳二极体的情况下，可使闸极更加牢固。Intellimax甚至更进一步，在智慧型FET中整合了ESD结构，可以达到双倍的ESD额定值至4KV HBM。ESD未来还可更进一步的改善。对于医疗应用，ESD是重要的特性，因为线路板在装配室间常常是无包装运送的，以完成在塑胶胶壳以及密封外壳中的佈置。对于与ESD相关失效，每个运送点都有潜在风险，尤其是在引脚和连接器从线路板上连接至电池或中间夹层时。

　　我们应该更进一步钻研的下一代智慧型FET的特性是当开关关闭时会发生什么？採用离散P沟道的传统负载开关可以完全关闭并连接输入至输出，不管是重负载还是大电容载入在输出脚上。如果这种情况发生，通常初级端输入电平会显示电压突降，它可能影响与偏置电平相关联的精密类比数位转换器（ADC）或感测器。在过去，电阻/电容（R/C）网路添加至闸极以降低开启速度，但这会增加专案的设计时间和规模。Intellimax支援转换速率控制特性，藉着在输入端限制浪涌电流，可使电平中断最小化。图4显示了此方案在实证研究的实验室测试中的一个例证。注意，左边为採用传统P沟道方法对Vin电平的影响，右边的则是Intellimax器件的影响。

　　

　　智慧型MOSFET增加可靠性

　　不利事件发生时要求从输入断开负载以防止更进一步的损坏，这是解决可靠性问题的主要考虑因素。过去的传统负载开关非常简单且并不提供电流保护或热保护。可以增加电流保护，但这将增加一些外部元件并要求对被动元件有更精确的选择公差。总而言之，被动方式能够在足够短的时间内作出反应，以防止下游损坏吗？热感测就是在类似的比较基础上应用的。

　　过流和过热关断事件的细节随设备而不同。虽然某些关断是即时的，并要求电源週期重新连接至负载，其它状况则是在确信温度和电流大小是安全的情况下，经过重试模式不断地尝试重新接通。在仔细检视资料表后，可以在设备选择上消除任何困惑。对于Intellimax器件的热关断，通常大多数IC，并不依赖这个特性作为常规作法。也就是说，在正常使用中，如果预期会发生热事件，应该使用单独温度感测这一常规做法。依赖连续的过热关断可能会降低IC的性能。

　　如果侦测到会发生过流，可以在IC工厂内预设阈值电平。也可以在某些智慧型负载开关中，採用电阻接地的方法在外部设定该电平。而大多数都具有短路保护，最新增加的方法是，在特定的电流断开方面採用显着改进的容差，範围从100mA到2A。在短短的几年裡，电流检测容差已经从30％降至10％的準确度。当选择阈值电平时，注意最小和最大规格可以根据製程、电压和温度而变化。电流的动态範围比较大，因而难以提供精确的和一致的转变点。当接近检测点时，对非常缓慢的电流爬升作出反应也是困难的。假如精确的电流感测和负载断开是很重要的，有可能对输出增加少量电感。这将「缓衝」电流di/dt的变化，允许智慧型FET更準确地感测delta值。电感的大小将直接反映电流转变的敏感性。在发生过电流事件后，智慧型MOSFET的每个系列的反应不同。某些完全断开，其它的则採用预设步骤缓降电流，而某些甚至在最安全的可承受电流限制上提供一个固定电压输出。请在选择元件时密切注意这个规格。

　　智慧型MOSFET规格比较

　　在讨论了优点之后，当选择智慧型MOSFET时，什么是必须严密评估的可能缺点或敏感规格？关键在于智慧型FET内的智慧功能。当然，电源必须被用来感测电流并驱动高侧开关。这会写在资料表的静态电流规格中，它是在IC内所使用的有效电流，可校验和驱动负载开关。对于快捷半导体的Intellimax产品线，此规格最小低于1μA。对于那些寻求最长电池寿命的应用，还必须严格比较所列的漏电流。

　　在比较智慧型FET时，或许在所评估的资料表中最常用的资料与普通离散MOSFET资料表上同样关注的资料是相同的。高侧FET的导通电阻，被称为Rdson，是用来计算穿过负载开关的损耗的关键数字。此Rdson将基于输入电压而变化，因为相同的Vin被用于驱动高侧FET，因而把Ron作为用于特定应用的目标资料是实际的。当应用将实际工作于50％时，Vin常常用于计算最低Ron，因而不要在两个资料表中比较绝对最低的Rdson。基于此一Ron值，如果负载需要的电流是已知的，可以计算FET两端的损耗。对于Intellimax，Rdson的範围可以从20欧姆到200欧姆，取决于特性和封装尺寸。

　　另一个有时会被忽视的资料表细节就是高侧FET的最大电压。为了让Rdson最低，Intellimax产品线限制了输入电压至6V。这对于电池供电的应用是完美的，无论是3.7V可充电电池还是AA电池组。由于手机的广泛应用，3.7V单节锂离子电池组在可携式医疗应用中正变得非常普遍。然而，医疗应用可能还要求液压泵或风扇在脱离核心电池组的电压下工作。这裡最普通的电池为双重或叁重堆叠可充电电池，使电压达到8V到12V。在过去，离散MOSFET在这些电压电平下使用。新的开发成果已使智慧型FET达到更高的电压。

　　快捷半导体的AccuPower系列整合式负载开关基于绝对最大40V、推荐的36V的製程，这是中等电压应用中很大的技术飞跃。首个IC将採用100欧姆技术，具有Intellimax系列所支援的相同特性，但也将包括可调节的电流限制和供电良好（Pgood）引脚。因为较长的电压爬升，负载应该在36V电压，Pgood功能将提示微处理器输出端可接受的电平水準。可调节电流限制开启了医疗应用。AccuPower器件可以用于驱动DC电磁阀、风扇、泵等等。即使电池电压在12V，穿过动态绕组负载的L di/dt电压尖峰将轻易超过12V击穿电压或甚至离散FET的20V击穿电压。36V击穿电压支援这些採用12V和可能的24V电池电压的负载类型。现已可供应支援这些电压水準的FPF2700元件。

　　医疗用智慧型MOSFET

　　在回顾了电池技术以及从传统负载开关到智慧型FET负载开关变迁的最新情况后，我们可以看到医疗应用是如何受益的，然而所感知的价值可能有所不同。可携式医疗设备重视电源和负载的断开，以期延长电池寿命。然而，正如我们所讨论的，在开关断开后究竟会发生什么情况也是一样重要，甚至更为重要。在浪涌电流或过电流发生时，电源调节为更高电流应用增添了立即的可靠性。

　　不管应用为何，负载隔离点的发展趋势继续演变，并且智慧型MOSFET可以协助实现更高的性能和更高的可靠性。如果要保持医疗应用对于竞争对手的优势，要求快速实施一系列功能。传统P沟道FET将继续用于简单的开关，但当可靠性和上市时间成为产品设计的关键指标时，就不可忽视智慧型MOSFET技术的最新进展。