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如何用智能MOSFET提升醫(yī)療設(shè)計可靠性及性能?

發(fā)布時間:2012-05-07

中心議題:
  • 電池應(yīng)用中負載開關(guān)的演變
  • 智慧型MOSFET技術(shù)
解決方案:
  • 醫(yī)療用智慧型MOSFET解決方案

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(fēng)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(dāng)前電源架構(gòu)中的塬因。它的應(yīng)用案例將在實驗室範(fàn)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(dāng)中,然而,更困難的是,當(dāng)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(dāng)?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(dāng)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(dāng)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??沙潆妴喂?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(fàn)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。[page]

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(fàn)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。
  
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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(fēng)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(dāng)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(fàn)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(dāng)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(fàn)圍比較大,因而難以提供精確的和一致的轉(zhuǎn)變點。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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?;诖艘籖on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(fàn)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(fēng)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(fēng)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?,F(xiàn)已可供應(yīng)支援這些電壓水準的FPF2700元件。
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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(dāng)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。
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