新型负载管理元件优势概论

可携式消费性电子产品如数位相机、MP3播放器、DV摄影机、手机、掌上型电脑和PDA的迅速增长，为电子设备制造商带来了一个高度竞争的环境。制造商必须比竞争对手更快地在市场上推出各式既新又好的产品，同时又要满足消费者对于性能高、尺寸小和价格实惠等永无止境的需求。将多项功能融合于一项产品中，例如带有相机、MP3、USB资料介面和PDA功能的智慧型手机，无疑地会增加设计的复杂性。此一趋势也使得周边设备的数量增加，这些周边设备透过扩充卡的插槽、串列资料匯流排或可插拔功率介面来连接到主设备。设计这些最新产品的软体和硬体人员必须将功耗降至最低 (以延长电池寿命)、减少元件数目和在电路板上所佔用的空间，以及保证产品的功能和品质；并同时以三、五年前无法想像的更快的速度将产品推向市场。

更复杂的是，这些终端产品制造商必须确保产品在与全球众多第三方厂家制造的外部周边连接时，能正常运作。这些周边包括：充电器、通信卡、资料输入/键盘连接、快闪记忆体卡、印表机、有线耳机、无线耳机和通信缆线。设计人员必须考虑这些外部埠和卡插槽需要连接到嵌入在消费性电子产品中的敏感的积体电路上。个别连接器故障、在连接缆线或启动内部功率匯流排时出现电压不正确的定序(sequencing)、又或出现过量电流冲击，都会损坏产品或降低其性能，导致使用品质出现问题。这会引起客户不满，从制造商角度看更会影响市场占有率。本文将讨论新型负载管理和保护产品的保护方法、选择及实现方案，以避免这些问题发生，确保制造商的终端产品坚固耐用，来满足严苛的外部使用条件。图1就是一个典型的负载管理电路应用图。

图1： 典型负载开关应用

　

要实现标准的负载开关电路，除了那些用于控制设备开启的有效逻辑或致能信号外，还需要一些分离式元件和PMOS元件。上图所示方案并没有包括确保系统在前述故障情况下还能正确运作所需的保护、控制功能或软体。

下图所提供的范例，将多种保护和控制功能整合在单一元件中，从而简化了产品设计、减少空间和元件数目。结合过低电压、过电流、突波电流 (in-rush current)、短路和过热的保护功能对设计人员而言是非常重要的。新一代产品需要在小型SMD元件中整合上述所有的功能，再加上必要的控制功能，以满足设计人员的要求及使得这些产品更容易让消费者使用。

图2

从设计角度看，将这些保护和控制功能整合在一个IC中能够简化设计、减少元件数目、增强可靠性，而且符合产业标准，也满足了消费者对于最新技术和功能的需求。

过电流保护
随着可携式产品不断地进步，并整合更多功能，带来更高的复杂度，许多应用的负载电流都必须限制，以便保护内部功率匯流排、外部电池，或连接在设备上的外接设备和周边。基于这类连接的特性，内部处理器或其他硬体往往无法检测负载或设备是否会产生过电流，或过载运作。这类周边设备通常会有视为“正常”运行情况下的额定功耗 (一般为电流)，但是，这些设备可能会出现故障或受限制的电源介面，以免内部电池出现过度充、放电，或其他影响性能表现的情况。IntelliMAX^TM 的FPF210X和 FPF200X负载管理产品正是一整合式的解决方案的范例，它可提供多种保护/控制功能，尤其是过电流保护。这两种元件均具有支援正常及短路情况的整合式电流限制，具有快速的反应时间，以避免当故障发生时，造成损坏。下表列出了最小、额定和最大电流值。

　

在选择元件时，设计人员必须考虑其特定应用的额定、最大和最小电流，确保产品性能在所需应用范围内。例如，如果设定额定负载电流小于400mA，设计人员将考虑採用FPF2110元件，因该元件在最小400mA时会触发保护 (见产品资料表)。设计人员同时需要验证在最大过电流达800mA时，系统不会出现损坏或异常运作的情形。

电流限制功能的运作关键是在短路或过电流时保护电路的反应速度。一般来说，元件对于短路的反应时间非常短促 (FPF210X元件为20nS)，能保护系统不会受到伤坏，其正常过电流反应速度也很快 (FPF210X元件通常为 3uS)。如果所选元件具有足够的电流限制保护能力，能够适当地响应短路和过电流状况，设计人员就能保证系统正常工作。

过低电压锁定保护 (UVLO)
另一个重要的设计问题是：在供电电压 (无论是电池供电或低压DC电源供电) 短暂下降导致其他的重要IC晶片出现异常操作时，包括DSP、媒体处理器或其他硬体设备，系统会怎样因应。IntelliMAX FPF200X 和 FPF210X 元件均整合了UVLO保护电路，能够应付一定程度的电源电压不稳定或电池电压太低情况。该电路确保开关在输入电压低于某一特定阀值时不会开启。对于这些设备，阀值应设为最小1.5V、额定1.6V及最大1.7V。同样重要的是，这个设计包括内建迟滞参数 (一般为47 mV)，以确保输入电压回升时，元件不会在设定阀值附近出现间歇性关断。如果ON引脚启用了，V_IN信号朝设定阀值上升，在达到V_TH时元件将开启，并且不会再关断，除非输入电压降到设定阀值以下，并越过迟滞参数幅度。因此，设计人员必须保证该开关 (处于启动态) 的工作范围在UVLO 电路设定阀值以上，并超过迟滞参数幅度。
突波电流限制
功率管理设计人员面对的另一个挑战是开关开启时由电容性负载引起的突波电流或功率讯号过冲 (overshoot) 的处理。过去，设计人员需要在电容值和导通及突波电流管理之间作出取捨，电容值的大小将决定开关或数位电路在电源产生的杂讯或电磁干扰 (EMI) 的大小。利用最新的IntelliMAX 负载管理元件，突波电流限制电路已整合在元件中，可用来控制整合PMOS开关的开启，因此无需调整外部电容就能最大限度地减小突波电流和过冲。此一晶片的控制部分可以让PMOS输出元件一般在25uS时间内缓缓开启，并防止产生过大的突波电流。突波电流的强度取决于系统的具体工作条件 (V_IN,、V_OUT、I_nominal和I_max)，并需就应用环境进行检验测试。下图所示为突波电流限制的一项范例，其中，200mA的额定电流透过FPF210X元件导通。在10欧姆负载 (模拟的短路情况) 上测出的过冲小于30%；COUT为1.0 uF。降低突波电流可减少功率损耗，并避免系统损坏或系统中其他元件因瞬变和应力产生异常行为。
　

　

热限制/保护
为了防止系统内部和外部温度过高，IntelliMAX 元件整合了热关断控制电路，让元件在温度达到接点温度时关断 (具有滞后参数)。在温度超出限制的情况下，FLAG B引脚将置位，而元件会因此关断。当元件冷却到设定的“恢復” 阀值温度 (包括10℃ 的迟滞 (hysteresis of 10℃)) 时元件会重启。设定迟滞量是为了防止元件在阀值温度附近发生间歇性关断。
　

　

热保护功能对于整合开关非常重要，尤其是需要对由外部和内部环境引起的过热进行限制的可携式系统或直流电驱动系统更是如此。

逆方向电流保护
两个关键因素促使越来越多的消费性电子和企业级产品朝可携式的方向发展：一是众多低成本的先进电池技术；另外是各大核心晶片组供应商为可携式产品提供的快速整合方案。这些因素加上可携式产品採用可插拔电源和USB埠，进一步使得电源管理的设计要求提高，因为产品都涉及到电源的进出管理 (进：如充电或外部电源供应；出：如对外部周边供电)。过去，功率设计往往牵涉各种主动和被动元件，包括PMOS开关、多状态保险丝，以及其他管理单向功率流的元件。下图所示为在单一整合负载管理元件中实现这些控制功能的例子。

[FPF2108-10 全功能负载开关]

故障管理
在考虑过电流、欠压或过热保护的同时，设计人员在功率管理设计中还要面对一个很大的挑战，即权衡各方面的设计考虑、处理故障状况及与系统其他部分 (如处理器或软体) 的相互协作。IntelliMAX系列产品经特别设计，可以将元件数目减至最少，并同时降低设计复杂性，及透过高水准的功能整合降低系统软体的负担。IntelliMAX每个元件都能提供系列中的多个选项，以处理不同的故障情况。如下表所示，客户可选择自动重启、电流限制锁定或强制限制 (hard limit) 来让设计人员选择适当的元件，以满足系统要求，过程中无需额外的硬体或软体/系统修改。

　

举例来说，当FPF2103 或 FPF2107元件进入电流限制保护状态时，将会工作在恒定电流模式中，直到电流降到设定阀值以下。FPF2102或 FPF2106元件会在10mS的时间后关断，将故障状态致能 (HI)，然后便处于关闭状态直到ON引脚被系统所反置。而对FPF2100/01 或 FPF2104/5，元件将在10mS时间后 (FLAG B被启动) 的160mS自动重启时间内自动重启，除非故障已被排除。FPF200X系列产品也具有这些功能，如其产品资料表所见。

结论
从设计者的角度来看，具有最高功能整合度及电源管理特性的负载管理元件，是用来因应下列问题的主要核心：

●简化功率管理设计以减低元件数目和复杂度；
●为设计人员提供更多的硬体选项，以配合所需的运作和应用；
●提供广泛的工作电压范围，从 1.8V 到 5.5V，最大绝对值可达6V。
●在最新的技术和体系构架中融合各种先进的控制和保护功能，如：UVLO、ESD保护、电流限制和过热关断。
●整合具有突波限制控制电路的PMOS开关，以减低瞬间突变和功率消耗。

关键建构模组功能的整合，使得解决方案有利于设计出客户所需要的领导性产品。

(52RD.com)