智慧型MOSFET技術(shù)

　　對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，傳統(tǒng)的負(fù)載開(kāi)關(guān)是有效的，但本文的討論將僅專(zhuān)注于醫(yī)療應(yīng)用。這些設(shè)備需要極高的可靠性，并且在大多數(shù)情況下是不可重復(fù)充電的，因此要認(rèn)真研究功耗和隔離。

　　快捷半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品組合能夠滿足智慧型MOSFET的功能性要求。圖2顯示了其標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部方塊圖，雖然基于所需要的特性，它會(huì)根據(jù)設(shè)備而有所不同。此圖以P溝道為基礎(chǔ)，高側(cè)電路位于Vin和Vout間。引腳數(shù)量已減至最少，以便讓封裝尺寸保持愈小愈好。而涉及到封裝方面，這些元件可以採(cǎi)用小至1mm×1mm的晶片級(jí)封裝（Chip Scale Packaging，CSP），或者採(cǎi)用廣為使用中的無(wú)引線uPak封裝，也稱(chēng)為MLP。對(duì)于塬型（protype）的需要及空間限制較少的設(shè)計(jì)而言，也可以使用SC70、SOT23和SO8。

　　智慧型MOSFET的工作電壓Vin根據(jù)它們的製造製程而不同。對(duì)于快捷半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品線，推薦的工作電壓範(fàn)圍為從0.8V至5.5V。本文中隨后將探討高壓智慧型FET。請(qǐng)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是用于高側(cè)負(fù)載開(kāi)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(kāi)啟負(fù)載開(kāi)關(guān)所需要的電壓數(shù)值。圖3取自Intellimax FPF1039資料表，顯示了開(kāi)啟整合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)。

　　資料表中的規(guī)格增加了針對(duì)製程、電壓和溫度變化的緩衝，表明Von必須超過(guò)1.0V來(lái)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，并且必須低于0.4V來(lái)關(guān)閉開(kāi)關(guān)。這帶來(lái)了非常簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，可以直接連接至微處理器。此Von規(guī)格隨元件而不同且可能不一定會(huì)如圖3那樣平坦。不要停留在資料表中顯示靜態(tài)閾值電平的那一行；可以參照曲線來(lái)瞭解全部詳情。

　　如上所述，此邏輯電平Von使功能介面易于連接至微處理器，但熱關(guān)斷和過(guò)電流保護(hù)（over current protection，OCP），也能通過(guò)Flag引腳而介接良好。此特性并未整合在如FPF1039的最小Intellimax解決方案中，因而我們轉(zhuǎn)而採(cǎi)用FPF2303。此雙輸出負(fù)載開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)圖中所示，但需要雙MOSFET的方法。快捷半導(dǎo)體的專(zhuān)有方法將此整合到P溝道中，并且在IC內(nèi)作為一個(gè)額外的功能而無(wú)需外部元件。假如發(fā)生了開(kāi)關(guān)負(fù)載側(cè)的電勢(shì)高于電池側(cè)的狀況，則必須具備反向電流阻斷特性。這會(huì)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值的傾向。

　　對(duì)于負(fù)載開(kāi)關(guān)，經(jīng)常被忽視的規(guī)格就是ESD額定值，因?yàn)檫^(guò)去大多數(shù)的MOSFET并未將ESD保護(hù)整合在內(nèi)。最近，ESD保護(hù)已被加進(jìn)離散的P溝道MOSFET，它們?cè)谄渲兄皇亲鳛榫哂谐杀拘б娴呢?fù)載開(kāi)關(guān)。這以FET閘極上的背對(duì)背齊納（back to back zener）二極體箝位的形式出現(xiàn)。這增加了閘極的電容量，使它不太可能成為開(kāi)關(guān)應(yīng)用（馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電源等等的候選方案，但在增加2K HBM （Human Body Model，人體放電模式）齊納二極體的情況下，可使閘極更加牢固。Intellimax甚至更進(jìn)一步，在智慧型FET中整合了ESD結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到雙倍的ESD額定值至4KV HBM。ESD未來(lái)還可更進(jìn)一步的改善。對(duì)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(wú)包裝運(yùn)送的，以完成在塑膠膠殼以及密封外殼中的佈置。對(duì)于與ESD相關(guān)失效，每個(gè)運(yùn)送點(diǎn)都有潛在風(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)一步鉆研的下一代智慧型FET的特性是當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)會(huì)發(fā)生什么？採(cǎi)用離散P溝道的傳統(tǒng)負(fù)載開(kāi)關(guān)可以完全關(guān)閉并連接輸入至輸出，不管是重負(fù)載還是大電容載入在輸出腳上。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，它可能影響與偏置電平相關(guān)聯(lián)的精密類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）或感測(cè)器。在過(guò)去，電阻/電容（R/C）網(wǎng)路添加至閘極以降低開(kāi)啟速度，但這會(huì)增加專(zhuān)案的設(shè)計(jì)時(shí)間和規(guī)模。Intellimax支援轉(zhuǎn)換速率控制特性，藉著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(cè)試中的一個(gè)例證。注意，左邊為採(cǎi)用傳統(tǒng)P溝道方法對(duì)Vin電平的影響，右邊的則是Intellimax器件的影響。

　　智慧型MOSFET增加可靠性

　　不利事件發(fā)生時(shí)要求從輸入斷開(kāi)負(fù)載以防止更進(jìn)一步的損壞，這是解決可靠性問(wèn)題的主要考慮因素。過(guò)去的傳統(tǒng)負(fù)載開(kāi)關(guān)非常簡(jiǎn)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(duì)被動(dòng)元件有更精確的選擇公差。總而言之，被動(dòng)方式能夠在足夠短的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，以防止下游損壞嗎？熱感測(cè)就是在類(lèi)似的比較基礎(chǔ)上應(yīng)用的。

　　過(guò)流和過(guò)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，并要求電源週期重新連接至負(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(guò)重試模式不斷地嘗試重新接通。在仔細(xì)檢視資料表后，可以在設(shè)備選擇上消除任何困惑。對(duì)于Intellimax器件的熱關(guān)斷，通常大多數(shù)IC，并不依賴(lài)這個(gè)特性作為常規(guī)作法。也就是說(shuō)，在正常使用中，如果預(yù)期會(huì)發(fā)生熱事件，應(yīng)該使用單獨(dú)溫度感測(cè)這一常規(guī)做法。依賴(lài)連續(xù)的過(guò)熱關(guān)斷可能會(huì)降低IC的性能。

　　如果偵測(cè)到會(huì)發(fā)生過(guò)流，可以在IC工廠內(nèi)預(yù)設(shè)閾值電平。也可以在某些智慧型負(fù)載開(kāi)關(guān)中，採(cǎi)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)，最新增加的方法是，在特定的電流斷開(kāi)方面採(cǎi)用顯著改進(jìn)的容差，範(fàn)圍從100mA到2A。在短短的幾年裡，電流檢測(cè)容差已經(jīng)從30％降至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)製程、電壓和溫度而變化。電流的動(dòng)態(tài)範(fàn)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(cè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)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(cè)和負(fù)載斷開(kāi)是很重要的，有可能對(duì)輸出增加少量電感。這將「緩衝」電流di/dt的變化，允許智慧型FET更準(zhǔn)確地感測(cè)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(guò)電流事件后，智慧型MOSFET的每個(gè)系列的反應(yīng)不同。某些完全斷開(kāi)，其它的則採(cǎi)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(qǐng)?jiān)谶x擇元件時(shí)密切注意這個(gè)規(guī)格。