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用智能MOSFET提升医疗设计可靠性及性能

飞兆半导体?? 2012年04月11日 ?? 收藏0
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。

图

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