可攜式消費性電子產品如數位相機、MP3播放器、DV攝影機、手機、掌上型電腦和PDA的迅速成長，為電子設備製造商帶來了一個高度競爭的環境。製造商必須比競爭對手更快地在市場上推出各式既新又好的產品，同時又要滿足消費者對於性能高、尺寸小和價格實惠等永無止境的需求。將多項功能融合於一項產品中，例如帶有相機、MP3、USB資料介面和PDA功能的智慧型手機，無疑地會增加設計的複雜性。此一趨勢也使得周邊設備的數量增加，這些周邊設備透過擴充卡的插槽、串列資料匯流排或可插拔功率介面來連接到主設備。設計這些最新產品的軟體和硬體人員必須將功耗降至最低（以延長電池壽命）、減少元件數目和在電路板上所佔用的空間，以及保證產品的功能和品質；並同時以三、五年前無法想像的速度將產品推向市場。

更複雜的是，這些終端產品製造商必須確保產品在與全球眾多不同廠商製造的外部周邊連接時，能正常運作。這些周邊包括：充電器、通訊卡、資料輸入/鍵盤連接、快閃記憶體卡、印表機、有線耳機、無線耳機和通信纜線。設計人員必須考慮這些外部埠和卡插槽需要連接到嵌入在消費性電子產品中的敏感積體電路上。個別連接器故障、在連接纜線或啟動內部功率匯流排時出現電壓不正確的定序（sequencing）、又或出現過量電流衝擊，都會損壞產品或降低其性能，導致使用品質出現問題。這會引起客戶不滿，從製造商角度看更會影響市場佔有率。本文將討論新型負載管理和保護產品的保護方法、選擇及實現方案，以避免這些問題發生，確保製造商的終端產品堅固耐用，來滿足嚴苛的外部使用條件。(圖一)就是一個典型的負載管理電路應用圖。

《圖一　 典型負載開關應用》

要實現標準的負載開關電路，除了那些用於控制設備開啟的有效邏輯或致能信號外，還需要一些分離式元件和PMOS元件。圖一所示方案並沒有包括確保系統在前述故障情況下還能正確運作所需的保護、控制功能或軟體。

(圖二)所提供的範例，將多種保護和控制功能整合在單一元件中，簡化了產品設計、減少空間和元件數目。結合過低電壓、過電流、突波電流（in-rush current）、短路和過熱的保護功能對設計人員而言是非常重要的。新一代產品需要在小型SMD元件中整合上述所有的功能，再加上必要的控制功能，以滿足設計人員的要求及使得這些產品更容易讓消費者使用。

《圖二　多種保護和控制功能整合在單一元件中》

從設計角度看，將這些保護和控制功能整合在一個IC中能夠簡化設計、減少元件數目、增強可靠性，而且符合產業標準，也滿足了消費者對於最新技術和功能的需求。

過電流保護

隨著可攜式產品不斷地進步，並整合更多功能，帶來更高的複雜度，許多應用的負載電流都必須限制，以便保護內部功率匯流排、外部電池或連接在設備上的外接設備和周邊。基於這類連接的特性，內部處理器或其他硬體往往無法檢測負載或設備是否會產生過電流或過載運作。這類周邊設備通常會有視為“正常”運行情況下的額定功耗（一般為電流），但是，這些設備可能會出現故障或受限制的電源介面，以免內部電池出現過度充、放電，或其他影響性能表現的情況。

在選擇元件時，設計人員必須考慮其特定應用的額定、最大和最小電流，確保產品性能在所需應用範圍內。例如，如果設定額定負載電流小於400mA，設計人員將考慮採用在最小400mA時會觸發保護之元件。設計人員同時需要驗證在最大過電流達800mA時，系統不會出現損壞或異常運作的情形。

電流限制功能的運作關鍵是在短路或過電流時保護電路的反應速度。一般來說，元件對於短路的反應時間非常短促，能保護系統不會受到損壞，其正常過電流反應速度也很快 。如果所選元件具有足夠的電流限制保護能力，能夠適當地響應短路和過電流狀況，設計人員就能保證系統正常工作。

過低電壓鎖定保護（UVLO）

另一個重要的設計問題是：在供電電壓（無論是電池供電或低壓DC電源供電）短暫下降導致其他的重要IC晶片出現異常操作時，包括DSP、媒體處理器或其他硬體設備，系統會怎樣因應。一般來說，只要元件整合了UVLO保護電路，就能夠應付一定程度的電源電壓不穩定或電池電壓太低情況。該電路確保開關在輸入電壓低於某一特定閥值時不會開啟。對於這些設備，閥值應設為最小1.5V、額定1.6V及最大1.7V。同樣重要的是，這個設計包括內建遲滯參數（一般為47mV），以確保輸入電壓回升時，元件不會在設定閥值附近出現間歇性關斷。如果ON引腳啟用了，VIN信號朝設定閥值上升，在達到VTH時元件將開啟，並且不會再關斷，除非輸入電壓降到設定閥值以下，並越過遲滯參數幅度。因此，設計人員必須保證該開關（處於啟動態）的工作範圍在UVLO 電路設定閥值以上，並超過遲滯參數幅度。

突波電流限制

功率管理設計人員面對的另一個挑戰是開關開啟時由電容性負載引起的突波電流或功率訊號過衝（overshoot）的處理。過去，設計人員需要在電容值和導通及突波電流管理之間作出取捨，電容值的大小將決定開關或數位電路在電源產生的雜訊或電磁干擾（EMI）的大小。利用最新的負載管理元件，突波電流限制電路已整合在元件中，可用來控制整合PMOS開關的開啟，因此無需調整外部電容就能最大限度地減小突波電流和過衝。此種晶片的控制部分可以讓PMOS輸出元件一般在25μS時間內緩緩開啟，並防止產生過大的突波電流。突波電流的強度取決於系統的具體工作條件（VIN、VOUT、Inominal和Imax)，並需就應用環境進行檢驗測試。(圖三)所示為突波電流限制的一項範例，其中，200mA的額定電流透過元件導通。在10歐姆負載（模擬的短路情況）上測出的過衝小於30％；COUT為1.0 uF。降低突波電流可減少功率損耗，並避免系統損壞或系統中其他元件因瞬變和應力產生異常行為。

《圖三　突波電流限制範例》

熱限制/保護

為了防止系統內部和外部溫度過高，需整合熱關斷控制電路，讓元件在溫度達到接點溫度時關斷（具有滯後參數）。在溫度超出限制的情況下，FLAG B引腳將置位，而元件會因此關斷。當元件冷卻到設定的“恢復” 閥值溫度（包括10℃的遲滯，hysteresis of 10℃）時元件會重啟。設定遲滯量是為了防止元件在閥值溫度附近發生間歇性關斷。

熱保護功能對於整合開關非常重要，尤其是需要對由外部和內部環境引起的過熱進行限制的可攜式系統或直流電驅動系統更是如此。

逆方向電流保護

兩個關鍵因素促使越來越多的消費性電子和企業級產品朝可攜式的方向發展：一是眾多低成本的先進電池技術；另外是各大核心晶片組供應商為可攜式產品提供的快速整合方案。這些因素加上可攜式產品採用可插拔電源和USB埠，進一步使得電源管理的設計要求提高，因為產品都涉及到電源的進出管理（進：如充電或外部電源供應；出：如對外部周邊供電）。過去，功率設計往往牽涉各種主動和被動元件，包括PMOS開關、多狀態保險絲，以及其他管理單向功率流的元件。(圖四)所示為在單一整合負載管理元件中實現這些控制功能的例子。

《圖四　全功能負載開關示意圖》

故障管理

在考慮過電流、欠壓或過熱保護的同時，設計人員在功率管理設計中還要面對一個很大的挑戰，即權衡各方面的設計考慮、處理故障狀況及與系統其他部分 （如處理器或軟體）的相互協作。因此產品需經特別設計，以將元件數目減至最少，並同時降低設計複雜性，及透過高水準的功能整合降低系統軟體的負擔。另外，每個元件都需能夠提供系列中的多個選項，以處理不同的故障情況。如此以來，客戶可選擇自動重啟、電流限制鎖定或強制限制（hard limit）來讓設計人員選擇適當的元件，以滿足系統要求，過程中無需額外的硬體或軟體/系統修改。

舉例來說，當元件進入電流限制保護狀態時，將會工作在恒定電流模式中，直到電流降到設定閥值以下。當元件在10mS的時間後關斷，將故障狀態致能（HI），然後便處於關閉狀態直到ON引腳被系統所反置。而元件也將在10mS時間後（FLAG B被啟動）的160mS自動重啟時間內自動重啟，除非故障已被排除。

結論

從設計者的角度來看，具有最高功能整合度及電源管理特性的負載管理元件，是用來因應下列問題的主要核心：

關鍵建構模組功能的整合，使得解決方案有利於設計出客戶所需要的領導性產品。

（作者任職於Fairchild快捷半導體）

延 伸 閱 讀

電源管理（PM）模塊負責整個PDA系統的電源供給和管理。電能測量最初只是一項電池管理 功能，但隨著用戶越來越關心電池使用狀況，它也正在變成負載管理的一個組成部分。相關介紹請見「 PDA電源系統的設計挑戰及解決方案 」一文。 由於消費者要求產品具有更多的功能和更長的電池壽命，同時產品外形必須不斷縮小，所以 業界越來越需要更新和更好的負載開關技術。晶片設計和製造已經取得巨大進步，相形之下， 封裝就成為改善元件特性的一個主要局限。你可在「 MOSFET非常適合於對空間敏感的負載管理應用 」一文中得到進一步的介紹。 設計一款功率轉換器並不簡單，因為其中涉及多方面的技術知識。設計師必須對類比及混合信號電路的設計、變壓器繞組、電磁相容性、封裝及散熱設計有一定的認識。由於電子產品的功率密度越來越大，加上不同的電源供應系統設計各有優缺點，因此工程師必須審慎考量，作出最適當的取捨。在「電源管理系統的散熱問題及解決辦法」一文為你做了相關的評析。

市場動態

這顆可程式元件將所有主要功率電晶體整合至單晶片，不但減少七成的電路板面積，還提供很高的電源轉換效率和電池管理功能給利用單顆鋰離子電池，以供應多組電壓的通訊與多媒體裝置，例如智慧型手機、可攜式音訊和媒體播放機、衛星無線電、和全球定位系統。相關介紹請見「TI元件整合智慧型電池與電源管理技術」一文。 Fairchild推出11個新型IntelliMAX大電流（高達400mA）、低損耗（典型RDS(ON)=0.120歐姆）負載開關，可縮短新一代可攜式電池供電應用的產品設計週期並同時降低成本。IntelliMAX廣泛的負載管理產品可針對不同的系統結構提供高度靈活性，從而簡化設計。你可在「 Fairchild的200/400mA負載管理產品」一文中得到進一步的介紹。 隨著IT管理者對虛擬化技術的日益重視，工作負載管理日益成為其關心的一個主要問題。虛擬化之所以能夠引起IT管理者如此大的興趣，是因為它在提高計算資源的利用率方面，具有極大的潛力。在「 HP Integrity 引領虛擬化技術潮流」一文為你做了相關的評析。