所有關(guān)于醫(yī)療應(yīng)用的產(chǎn)品在要求高可靠性的同時,，仍然需要提供終端用戶想要的新技術(shù)與功能,。由于各醫(yī)療設(shè)備公司及其最終應(yīng)用間的競爭愈來愈激烈，功能急劇增加,，但是并未考慮到另外一個可能帶來產(chǎn)品失敗的因素,。所有這些因素都與電源有關(guān)，而且重要的是我們需要採用最新的技術(shù)來使風險最小化,。 

智慧型MOSFET是這些促進技術(shù)進步的因素之一,，且其普及性一值增加。由于標準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,。因為這些元件處于關(guān)鍵路徑中,，其失效會讓下游的感測器或處理器失去作用，因而對可靠的功率開關(guān)進行 投資,，便成為一明智的作法,。相較于等效的P溝道∕N溝道組合方法，Intellimax FET整合了P溝道FET和邏輯級驅(qū)動器,，以便簡單控制這個已經(jīng)減少的Rdson FET。為讓可靠性增加,，這些元件整合了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)用帶來了更高的價值和更高的可靠性,。 

下文將介紹負載開關(guān)的技術(shù)和其存在于當前電源架構(gòu)中的塬因,。它的應(yīng)用案例將在實驗室範圍呈現(xiàn)。我們將討論小于6V的應(yīng)用,，可充電的可攜式醫(yī)療應(yīng)用應(yīng)該可以從中受益,。本文也將討論快捷半導(dǎo)體最新技術(shù)進展所實現(xiàn)的全新40V智慧型FET應(yīng)用，將提供具有價值的分析結(jié)果,，展示智慧型FET是如何成為醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中智慧 化發(fā)展的趨勢,。

電池應(yīng)用中負載開關(guān)的演變 

從 電池被導(dǎo)入到電子產(chǎn)品中開始，對于電源隔離的需求就一直存在著,。導(dǎo)入電池作為一種行動電源,，意味著在使用期間電池將會不停的充放電。顯然地,，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,。在最近這幾年，電池技術(shù)并沒有出現(xiàn)任何大幅度的改進,，未來也還看不到有任何重要的突破,。因此需要仰賴積體電路 （IC）技術(shù)遵守嚴格的功耗規(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,，需要先檢視一下電池技術(shù),、電池上的負載、以及負載開關(guān)的要求,。在固定的充電條件下,，如果所有電流消耗路徑都已知，要估計電池壽命可以相對簡單的,。普遍的情形是并非100mA電流的受控工作週期（controlled duty cycle）感測器單獨影響功耗,，而是許多小于1mA且始終連接的漏電槽在緩慢地消耗能量,。必須把這些漏電槽粗略地加到功率公式當中，然而,，更困難的是,，當給定的功能或感測器啟用時，會發(fā)生瞬態(tài)峰值,。這些尖峰值的幅度和週期會受到監(jiān)測,，用來作為能量計算，通常為一次峰值結(jié)果與尖峰數(shù)量相乘,。 

在所有常規(guī)負載已知后,，就可以直截了當?shù)赜嬎愎ぷ鲿r間。目前,，電池按mAh的標度來計算,，而非先前的庫侖，也就是1000mAh的電池在其標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） 

當工作電流被分配在以浪涌電流（例如1500mA）工作100ms,，以及以連續(xù)電流（例如20mA的LED指示器）工作剩余的時間時，對于這段時間的平均電流可以進行線性計算,。 

每小時平均電流＝（1.5A×0.100s∕3600s）＋（0.020A×3599.9s∕3600s）＝20.04mA 

用 此時域中耗電的概念來看,，可以快速瞭解到負載開關(guān)可以用于隔離連續(xù)，但較小的電流消耗,。短期間的尖銳脈衝并非是罪魁禍首,，如果不隔離，數(shù)以百計的uA級電 流消耗合計會達到mA的水準,。此轉(zhuǎn)換將帶來軟功率爬升（soft power ramps）的重要性,，尤其是當電源被使用到下游IC，來減少在脆弱的mAh電池額定值上所不想要有的大電壓尖峰時,。 

關(guān) 于涌浪和穩(wěn)定功耗的影響,，我們可以獨立出來討論。這些對電池的影響會隨電池化學(xué)成分和浪涌功耗間的時間而差別很大,。一個普遍的觀念,，相比較輕而持續(xù)的負載，合理比例的浪涌可以帶來更長的電池壽命,。要瞭解這方面的具體情形,，請洽詢電池供應(yīng)商。電池組的電壓隨著電能消耗而下降也未討論,。在基于純電流的上述公 式裡,，我們假設(shè)電壓Vbatt是恒定的。而且，這取決于電池所使用的技術(shù),。對于鹼性塬電池（不可充電）,，Vmax為1.5V，在大多數(shù)情況下,，這裡的 Vmin假設(shè)為0.9V,。可充電單節(jié)鋰電池Li-ion電池的標稱狀態(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 解了實際電流消耗是如何耗盡電池電平,，我們現(xiàn)在可以研究不同的方法來隔離下游耗電。將會用到高側(cè)（high side）和低側(cè)（low side）開關(guān)等這些詞匯,。高側(cè)意味著開關(guān)將處于工作電平（rail）電路中且實際上電流由源極流至負載，通過接地電路返回,。低側(cè)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)塬理應(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，我們可以快速說明截面b有如高側(cè)的P溝道,。N溝道用來驅(qū)動閘極以簡化邏輯輸入控制,。塬理圖b的缺點是，假如負載電壓高于電池電壓,，能夠給體二極體 施加正向偏置,。通過在高側(cè)使用雙P溝道FET，塬理圖c解決了這個缺點,，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無法用于高側(cè)開關(guān)呢？N溝道FET的教科書上的特性就是能夠啟動開關(guān)并使其處于線性區(qū)域,，根據(jù)資料表（Datasheet）的閾值電壓,， 閘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,，必須採用自舉或隔離式驅(qū)動的方法,。這會帶來額外的成本，然而,，此N溝道高側(cè)開關(guān)方 法對于較大電流應(yīng)用是必須的,。視電壓範圍而定，N溝道的Rdson可減少20～50％,。除了由于Rdson所引起的損耗外,，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,。

智慧型MOSFET技術(shù) 

對于大多數(shù)應(yīng)用，傳統(tǒng)的負載開關(guān)是有效的,，但本文的討論將僅專注于醫(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顯示了其標準的內(nèi)部方塊圖,，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,，這些元件可以採用 小至1mm×1mm的晶片級封裝（Chip Scale Packaging，CSP）,，或者採用廣為使用中的無引線uPak封裝,，也稱為MLP。對于塬型（protype）的需要及空間限制較少的設(shè)計而言,，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,。對于快捷半導(dǎo)體的Intellimax產(chǎn)品線,，推薦的工作電壓範圍為從0.8V至5.5V。 本文中隨后將探討高壓智慧型FET,。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是用于高側(cè)負載開關(guān)的實際額定值。在圖2中標記為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資料表，顯示了開啟整合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),。

資 料表中的規(guī)格增加了針對製程、電壓和溫度變化的緩衝，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)格隨元件而不同且可能不一定會如圖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)斷和過電流保護（over current protection,，OCP）,，也能通過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) 而採用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,?？旖莅雽?dǎo)體的專有方法將此整合到P溝 道中，并且在IC內(nèi)作為一個額外的功能而無需外部元件,。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。這會發(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值的傾向。 

對 于負載開關(guān),，經(jīng)常被忽視的規(guī)格就是ESD額定值,，因為過去大多數(shù)的MOSFET并未將ESD保護整合在內(nèi)。最近,，ESD保護已被加進離散的P溝道 MOSFET,，它們在其中只是作為具有成本效益的負載開關(guān)。這以FET閘極上的背對背齊納（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關(guān)應(yīng)用（馬達驅(qū)動、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甚至更進一步,，在智慧型FET中整合了ESD結(jié)構(gòu),，可以達到雙倍 的ESD額定值至4KV HBM。ESD未來還可更進一步的改善,。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,，以完成在塑膠膠殼以及密封外殼中的 佈置,。對于與ESD相關(guān)失效，每個運送點都有潛在風險,，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)該更進一步鉆研的下一代智慧型FET的特性是當開關(guān)關(guān)閉時會發(fā)生什么？採用離散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 大電容載入在輸出腳上,。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,，它可能影響與偏置電平相關(guān)聯(lián)的精密類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）或感測器,。在過 去，電阻/電容（R/C）網(wǎng)路添加至閘極以降低開啟速度,，但這會增加專案的設(shè)計時間和規(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顯示了此方案在實證研究的實驗室測試中的一個例證。注意,，左邊為採用傳統(tǒng)P溝道方法對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主要考慮因素,。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被動元件有更精確的選擇公差?？偠灾?，被動方式能夠在足夠短的時間內(nèi)作出反應(yīng),，以防止下游損壞嗎？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，并要求電源週期重新連接至負載,，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。在仔細檢視資料表后,，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)期會發(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)斷可能會降低IC的性能,。 

如 果偵測到會發(fā)生過流,，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載開關(guān)中,，採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，最新增加的方法是,，在特定的電流斷開方面採用顯著改進的容差,，範圍從100mA到2A。在短短的幾年裡,，電流檢測容差已經(jīng)從30％降至10％的準確度,。當選擇 閾值電平時,，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。電流的動態(tài)範圍比較大,，因而難以提供精確的和一致的轉(zhuǎn)變點,。當接近檢測點時，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很重要的,，有可能對輸出增加少量電感。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，智慧型MOSFET的每個系列的反應(yīng)不同,。某些完全斷開,， 其它的則採用預(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,。 

智慧型MOSFET規(guī)格比較 

在 討論了優(yōu)點之后，當選擇智慧型MOSFET時,，什么是必須嚴密評估的可能缺點或敏感規(guī)格,？關(guān)鍵在于智慧型FET內(nèi)的智慧功能。當然,，電源必須被用來感測電 流并驅(qū)動高側(cè)開關(guān),。這會寫在資料表的靜態(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),。對于快捷半導(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,，還必須嚴格比較所列的漏電流。 

在比較智慧型FET時,，或許在所評估的資料表中最常用的資料與普通離散MOSFET資料表上同樣關(guān)注的資料是相同的,。高側(cè)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)動高側(cè)FET,，因而把Ron作為用于特定應(yīng)用的目標資料是實際的,。當應(yīng)用將實際工作于50％時，Vin常常用于計算最低Ron,，因而不要在兩個資料表中比較絕對最低的Rdson,。基于此一 Ron值,，如果負載需要的電流是已知的,，可以計算FET兩端的損耗。對于Intellimax,，Rdson的範圍可以從20歐姆到200歐姆,，取決于特性 和封裝尺寸。 

另一個有時會被忽視的資料表細節(jié)就是高側(cè)FET的最大電壓,。為了讓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)鋰離子電池組在可攜式醫(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扇在脫離核心電池組的電壓下工作,。這裡最普通的電池為雙重或叁重堆疊可充電電池，使電壓達到8V到12V,。在過去,，離散MOSFET在 這些電壓電平下使用。新的開發(fā)成果已使智慧型FET達到更高的電壓,。

快捷半導(dǎo)體的AccuPower系列整合式負載開關(guān)基于絕對最大40V,、推薦的36V的製程，這是中等電壓應(yīng)用中很大的技術(shù)飛躍,。首個IC將採用100歐姆 技術(shù),，具有Intellimax系列所支援的相同特性，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準,?？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擊穿電壓或甚至離散FET的20V擊穿電壓,。36V擊穿電壓支援這些採用12V和可能的24V電池電壓的負載類型。現(xiàn) 已可供應(yīng)支援這些電壓水準的FPF2700元件,。

醫(yī)療用智慧型MOSFET 

在回顧了電池技術(shù)以及從傳統(tǒng)負載開關(guān)到智慧型FET負載開關(guān)變遷的最新情況后,，我們可以看到醫(yī)療應(yīng)用是如何受益的，然而所感知的價值可能有所不同,?？蓴y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)生什么情況也是一樣重要,，甚至更為重要,。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)用增添了立即的可靠性,。

不管應(yīng)用為何,，負載隔離點的發(fā)展趨勢繼續(xù)演變，并且智慧型MOSFET可以協(xié)助實現(xiàn)更高的性能和更高的可靠性,。如果要保持醫(yī)療應(yīng)用對于競爭對手的優(yōu)勢,，要求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),，但當可靠性和上市時間成為產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵指標時,，就不可忽視智慧型MOSFET技術(shù)的最新進 展。