智慧型MOSFET技術(shù)

　　對于大多數(shù)應(yīng)用，傳統(tǒng)的負(fù)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(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(fù)載開關(guān)的實際額定值。在圖2中標(biāo)記為ON的控制電壓電平，是開啟負(fù)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(fù)載開關(guān)能夠驅(qū)動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(fù)載開關(guān)圖中所示，但需要雙MOSFET的方法。快捷半導(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(fù)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(fù)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(fù)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(dá)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(dá)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(fù)載開關(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。