负载管理器件简化便携式应用设计

便携式消费电子产品如数码相机、MP3播放器、数码摄像机、手机、掌上电脑和PDA的迅速增长，为电子设备制造商创造了一个极具竞争性的局面。制造商必须要比竞争对手更快地推出各种既新又好的产品，并满足用户对于高性能、小体积和低价格的需求。将多项功能融合于一项产品无疑会增加设计的复杂性，也使通过扩展插槽、串行数据总线或可插拔电源接口连接的外设数量增加。设计人员必须设法降低功耗、减少元件数量和电路板面积，并保证产品的功能和品质，同时，还要用更快的速度将产品推向市场。

图1 负载管理电路方案

图2 FPF2108-10 全功能负载开关

更复杂的是，制造商要保证当最终产品与全球众多第三方厂家制造的外部配件，如充电器、通信卡、键盘、闪存卡、打印机、无线/有线耳机和通信电缆连接时，产品仍能正常工作。设计人员必须考虑到这些外部端口和卡插槽需要连接到内嵌于消费电子产品中的敏感的集成电路上。如果在连接电缆或激活内部电源总线时出现个别连接器故障或电平时序错误，或者是过量的电流冲击，就会损坏产品或降低性能，导致产品质量出现问题。本文将讨论新型负载管理和保护产品的选择及实现方案，以避免这些问题的发生，确保制造商的终端产品坚固耐用，并可满足苛刻的外部环境。
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使能信号外，还需要一些分立元件和PMOS器件。典型的负载管理方案并没有包括确保系统在前述故障情况下正确运行所需的保护、控制功能或软件。
图1给出的方案将多种保护和控制功能集成在单个器件中，从而简化了产品设计、减少板卡面积和元件数量。结合欠压、过流、启动(In-Rush)电流、短路和过热的保护功能对设计人员而言非常重要。新一代产品需要在小型SMD器件中集成以上所有功能，及所必需的控制功能，以满足设计人员的要求，并使产品更易于使用。
从设计角度看，将这些保护和控制功能集成在一块芯片中能够简化设计、减少元件数量、增强可靠性，而且符合行业标准，也满足了消费者对于最新技术和功能的需求。

过流保护
随着便携式产品不断集成更多功能，令其复杂度增加，在许多应用中都必须限制负载电流，以保护内部的电源总线、外部的电池，或是插接在设备上的外设和配件。基于这类连接的特性，内部处理器或其它硬件往往无法检测负载或设备是否产生过量电流，或超负荷运行。这时，必须限限负载电流，以免内部电池出现过度充电、放电，或是其它影响性能的情况。飞兆半导体的FPF210X和 FPF200X产品提供了这样的解决方案，这两种器件均具有多种保护/控制功能，尤其是过流保护，当故障发生时，可以快速响应正常和短路状况，以免出现损坏。
在选择器件时，设计人员必须考虑在特定应用下电流的额定值、最大值和最小值，确保产品能够正常工作。例如，如果设定额定负载电流小于400mA，设计人员应考虑采用FPF2110器件，因该器件在400mA时会触发保护。设计人员同时需要验证在最大过流达800mA时，系统不会出现损坏或异常运作。
限流功能的运作关键是在短路或过流时保护电路的响应速度。一般来说，器件对于短路的响应时间非常短 (FPF210X器件为20ns)，其正常过流响应速度也很快 (FPF210X器件通常为 3s)。如果所选器件具有足够的限流保护能力，能够适当地响应短路和过流状况，设计人员就能保证系统正常工作。

欠压锁定保护 (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) 短暂下降导致其它重要的芯片，如DSP、媒体处理器或其它硬件设备出现异常操作时，系统会怎样应对。IntelliMAX FPF200X 和 FPF210X 器件均集成了欠压锁定保护电路，能够应付一定程度的电源电压不稳定或电池电压太低的情况。该电路确保开关在输入电压低于某一特定阈值时不会开启。对于这些设备，阈值的最小值为1.5V，额定值为1.6V，最大值为1.7V。同样重要的是，设计中包括了内设的迟滞值 (一般为47 mV)，以确保当输入电压回升时，器件不会在阈值附近出现间歇性关断。如果ON引脚被激活，VIN信号上升，在达到VTH时器件将开启，并且不会再关断，除非输入电压降到阈值减迟滞值以下。因此，设计人员必须保证该开关 (处于激活态) 的工作范围在UVLO 电路设定的阈值和迟滞值以上。

启动电流限制
电源管理设计人员面对的另一个挑战是需要对开关开启时由电容性负载引起的启动电流或电源信号的过冲进行处理。飞兆半导体的负载管理器件 IntelliMAX 将启动限制电路集成在器件中，以控制集成PMOS开关的开启，因此无需调整外部电容就能减小启动电流和过冲。该芯片的控制部分允许PMOS输出器件在25s内缓缓开启，防止产生过大的启动电流。降低启动电流可减少功率损耗，并避免系统损坏或系统中其它部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 器件集成了热关断控制电路，让器件在温度接近结温度时关断 (带迟滞值)。当器件冷却到设定的恢复阈值温度 (包括10℃的迟滞值)时器件会重启。设置迟滞值是为了防止器件在阈值温度附近发生间歇性关断。
热保护功能对于集成开关非常重要，尤其是需要对由外部和内部环境引起的过热进行限制的便携式系统或直流电驱动系统。

反向电流保护
两个关键因素促使越来越多的消费电子和企业级产品向便携式方向发展：一是众多先进的低成本电池技术；二是各大核心芯片组供应商为便携式产品提供的快速集成方案。再加上由于便携式产品采用可插拔电源和USB端口，使电源管理的设计要求进一步提高，要对进出产品的电源都进行管理 (进：如充电或外部供电；出：如向外部配件供电)。过去，电源设计需要包括各种有源和无源部件，如PMOS开关、多状态保险丝，以及其它管理单向功率流的部件。现在，已可在单个集成负载管理器件中实现这些控制功能，如图2所示。

故障管理
在考虑限流、欠压或过热保护的同时，设计人员在电源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它部分 (如处理器或软件) 的相互协作。IntelliMAX系列产品经特别设计，可以将部件数量减至最少，降低设计复杂性，通过高水平的功能集成减少系统软件的负荷。IntelliMAX每个器件都能提供系列中的多个选项，以处理不同的故障情况。用户可选择自动重启、限流锁定或硬限制来让设计人员选择适当的器件，以满足系统要求，过程中无需额外的硬件或软件/系统修改。
例如，当FPF2103 或 FPF2107器件进入限流保护状态时，将会工作在恒流模式中，直到电流降到阈值以下。FPF2102或 FPF2106器件会在10ms的消隐时间后关断，将故障标志置位 (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，器件将在10ms消隐时间后 (FLAG B被激活) 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。

结语
IntelliMAX产品系列 (FPF200X和FPF210X) 的设计专为电源管理设计人员提供最高的集成功能和多种产品选项，以应对各式各样的挑战。这些器件在最新的技术和体系构架中融合了各种先进的控制和保护功能，能够简化电源管理设计，减少部件数量，降低设计复杂度。器件中集成了关键的建构模块功能，能够设计出客户所需要的领导性产品。