前面把幾個(gè)重要行業(yè)的電源系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單的梳理了一下，本來(lái)想著這個(gè)專(zhuān)題就結(jié)束了，但昨晚熄燈后夜不能寐，總覺(jué)得還缺點(diǎn)什么，最后終于想明白了，作為電源工程師，尤其是板級(jí)電源（硬件）工程師，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅僅是LDO和DCDC的堆疊，其實(shí)還有不可忽略的一部分電路，那就是電源保護(hù)，這部分設(shè)計(jì)的質(zhì)量決定了整個(gè)板級(jí)電源系統(tǒng)的可靠性，因此，必須再寫(xiě)一篇作為補(bǔ)充，這樣，才算基本完成了電源系統(tǒng)架構(gòu)的一個(gè)介紹。
電源系統(tǒng)的保護(hù)器件十分繁雜，大到專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電源管理IC,小到一顆0603的ESD瓷片電容，本文重點(diǎn)介紹一下保護(hù)器件中最重要也是應(yīng)用最廣的一類(lèi)產(chǎn)品——電源開(kāi)關(guān)。電源開(kāi)關(guān)用于設(shè)計(jì)中的多個(gè)位置，可在輸入端提供保護(hù)，在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行配電并在輸出端為非板級(jí)負(fù)載提供保護(hù)。下圖顯示了各種電源開(kāi)關(guān)的常見(jiàn)用例：
圖1. 電源開(kāi)關(guān)常見(jiàn)用例圖
從上面的用例圖中可以看到很多常見(jiàn)的電源開(kāi)關(guān)器件：熱插拔控制器（Hot Swap controller）、電子保險(xiǎn)絲(eFuse）、負(fù)載開(kāi)關(guān)(Load Switch)，理想二極管和ORing控制器，高邊開(kāi)關(guān)（High Side Switch)，低邊開(kāi)關(guān)（Low Side Switch)等。 這幾種具有不同功能的電源開(kāi)關(guān)器件可滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求：
1. 首先是系統(tǒng)供電接入主板母線之前，往往需要通過(guò)一個(gè)二極管，目的是利用其單向?qū)щ娦詠?lái)提供反極性保護(hù)。另外，考慮到系統(tǒng)供電的可靠性，一般采用多路相同的電源模塊分別經(jīng)過(guò)二極管后再并聯(lián)（直接并聯(lián)會(huì)有倒灌風(fēng)險(xiǎn)），提供冗余備份，保證某一路供電失效情況下，系統(tǒng)還能夠穩(wěn)定運(yùn)行。下面的Oring就可以實(shí)現(xiàn)這一功能：
理想二極管（Ideal diode）也叫Oring控制器，可通過(guò)監(jiān)視外部FET來(lái)提供反極性保護(hù)，從而顯著降低功耗并阻止反向電流。其實(shí)就是原本二極管的應(yīng)用如：合路、整流、單向保護(hù)等場(chǎng)景中，由于其正向壓降偏大、損耗大、效率低，而且溫度系數(shù)為負(fù)，無(wú)法直接并聯(lián)使用，因此采用了MOSFET代替，但還需要加入相應(yīng)的控制器來(lái)模擬二極管的電氣特性。
圖2. Oring控制器示意圖
ORing控制器IC廣泛適用于各種有源ORing電路，包括運(yùn)營(yíng)商級(jí)通信設(shè)備的-48V/-24V輸入有源ORing、用于多路輸出DC-DC及AC-DC電源的12V輸出有源ORing，以及低電壓輸出的冗余VRM DC-DC中。例如：在之前介紹的計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)架構(gòu)中，它可以用在一次電源（AC-DC）內(nèi)部，便于組建數(shù)據(jù)中心CRPS電源的N+1冗余結(jié)構(gòu)，降低數(shù)據(jù)掉電丟失概率。
2.除了冗余需求，有些板卡還有帶電插拔的需求，但由于板卡入口處存在一定量級(jí)的電容，在帶電插入母線過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，過(guò)大的浪涌會(huì)把母線電壓拉低至系統(tǒng)欠壓點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位等問(wèn)題，這就需要一個(gè)熱插拔控制器來(lái)保護(hù)后級(jí)系統(tǒng)。另外，在主板輸入電源處，通常還會(huì)串入保險(xiǎn)絲，防止過(guò)流過(guò)功率情況，初期的保險(xiǎn)絲其實(shí)是金屬熔絲，但鑒于其需要手動(dòng)更換的問(wèn)題，目前主板上采用電子保險(xiǎn)絲（efuse）進(jìn)行了替換，后來(lái)隨著功能更加完善，電子保險(xiǎn)絲也承擔(dān)了一部分熱插拔控制器的功能。詳細(xì)介紹如下：
熱插拔控制器和eFuse(電子保險(xiǎn)絲)，它們提供附加的輸入功率路徑保護(hù)功能，例如電流檢測(cè)監(jiān)控，電流限制，欠壓和過(guò)壓保護(hù)以及熱關(guān)斷等。這使得這些設(shè)備非常適合熱插拔和瞬態(tài)問(wèn)題，而恰恰這些問(wèn)題會(huì)損壞系統(tǒng)組件。比如刀片服務(wù)器系統(tǒng)中，刀片主板會(huì)被頻繁更換，而鑒于服務(wù)器系統(tǒng)需要保證數(shù)據(jù)不丟失，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)斷電后更換主板，只能是帶電熱插拔，這就造成了主板入口處供電的浪涌電流和過(guò)沖電壓?jiǎn)栴}。這種情況下，就需要在主板入口處設(shè)計(jì)熱插拔電路或efuse來(lái)提供后級(jí)系統(tǒng)保護(hù)。
圖3. 熱插拔控制器和efuse示意圖
至于efuse和熱插拔控制器的區(qū)別，其實(shí)主要就是efuse將外置的MOSFET集成進(jìn)了IC中，由于 eFuse包含一個(gè)集成FET，因此可最大程度地減小整體解決方案的尺寸。當(dāng)然，有些efuse甚至連ORing功能也集成了進(jìn)去，有沒(méi)有很強(qiáng)大？但是任何事情都是有利有弊的，集成的efuse方案無(wú)法做到很大的的通流能力，如果系統(tǒng)功耗很大，則可以考慮采用外置MOSFET的熱插拔控制器或者也可以多個(gè)efuse并聯(lián)，但那樣又抵消了集成MOS后的面積優(yōu)勢(shì)，所以需要具體情況具體分析。
3. 前面說(shuō)的是主板入口處的保護(hù)，下面介紹一下主板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)器件: MCU需要驅(qū)動(dòng)板子外部的大負(fù)載，但MCU本身驅(qū)動(dòng)能力有限，因此就需要高/低邊開(kāi)關(guān)作為驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)，這些驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部也集成了各種保護(hù)功能，保護(hù)負(fù)載和自身的穩(wěn)定工作。另外，考慮到降低功耗，在休眠時(shí)候，MCU也會(huì)關(guān)斷某些板子內(nèi)部負(fù)載的電源（如不必要的無(wú)線功能等），這就需要一個(gè)板上的開(kāi)關(guān)器件（Load Switch），供MCU控制電源軌的通斷。下面逐一介紹：
（1）高邊開(kāi)關(guān)，用于板外負(fù)載保護(hù)和通斷。它們提供了附加的診斷遙測(cè)功能，可監(jiān)視輸出負(fù)載電流并檢測(cè)短路和開(kāi)路負(fù)載事件等。高邊開(kāi)關(guān)具有可調(diào)節(jié)的電流限制，從而可以更可靠地使用到具有大浪涌電流啟動(dòng)曲線或低峰值電流的應(yīng)用中。在設(shè)計(jì)中添加一個(gè)高邊開(kāi)關(guān)，可以為驅(qū)動(dòng)電容，電感和LED負(fù)載提供更智能，更強(qiáng)大的解決方案。
圖4. 高/低邊開(kāi)關(guān)示意圖
（2）低邊開(kāi)關(guān)，將負(fù)載接地，而不是在電源和負(fù)載之間提供連接。通過(guò)包含一個(gè)集成的反激二極管，低邊開(kāi)關(guān)通過(guò)在電路環(huán)路中耗散電流來(lái)幫助消除電感性負(fù)載瞬變。這使他們能夠驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載，例如螺線管，繼電器和電動(dòng)機(jī)。
其實(shí)上述高邊開(kāi)關(guān)和低邊開(kāi)關(guān)在之前介紹的汽車(chē)電源系統(tǒng)中，車(chē)身控制器（BCM）上就經(jīng)常用到，由于車(chē)身周邊有很多大功率負(fù)載，如車(chē)燈、雨刮器、車(chē)鎖等，這些負(fù)載無(wú)法使用MCU直接驅(qū)動(dòng)，因此通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)去控制他們的通斷。如上面所講，高邊開(kāi)關(guān)在BCM中通常用來(lái)控制一些容性負(fù)載如車(chē)燈，而低邊開(kāi)關(guān)則通常驅(qū)動(dòng)一些感性線圈如繼電器負(fù)載，再由繼電器控制雨刮器、車(chē)鎖等的動(dòng)作。
（3）負(fù)載開(kāi)關(guān)是可打開(kāi)和關(guān)閉板內(nèi)電源軌的電子開(kāi)關(guān)。當(dāng)內(nèi)部FET導(dǎo)通時(shí)，電流從輸入流向輸出，并將功率傳遞至下游電路。當(dāng)關(guān)閉供電電源時(shí)，內(nèi)部FET會(huì)將輸出VOUT拉至地，以防止輸出浮動(dòng)或進(jìn)入不確定狀態(tài)。它的一些常見(jiàn)功能包括省電，電源排序和浪涌電流控制。
圖5 負(fù)載開(kāi)關(guān)示意圖
在希望最大程度地減少電流耗散和提高電源效率的應(yīng)用如電池供電應(yīng)用中，節(jié)電至關(guān)重要。通過(guò)斷開(kāi)負(fù)載或子系統(tǒng)的電源，該開(kāi)關(guān)可將非活動(dòng)負(fù)載的功率降至最低。電源排序?qū)τ谛枰刺囟樞虼蜷_(kāi)和關(guān)閉各個(gè)電壓軌的應(yīng)用非常重要。如上圖5所示：通過(guò)配置CT和QOD引腳，可以調(diào)整上升和掉電時(shí)序。
除此之外，浪涌電流控制可保護(hù)在負(fù)載附近包含大容量電容器的系統(tǒng)。最初給系統(tǒng)供電時(shí)，對(duì)這些電容器進(jìn)行充電會(huì)導(dǎo)致較大的浪涌電流，超過(guò)額定負(fù)載電流。如果不加以解決，這可能會(huì)導(dǎo)致電壓軌由于壓降而掉落至不規(guī)范狀態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不良狀態(tài)。負(fù)載開(kāi)關(guān)可以通過(guò)使用CT引腳管理電源軌的上升時(shí)間來(lái)減輕浪涌電流。
我之前做過(guò)的一個(gè)車(chē)身控制器（BCM）項(xiàng)目就出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似問(wèn)題：因?yàn)樨?fù)載電源軌存在大量去耦電容，因此當(dāng)MCU結(jié)束休眠，控制MOSFET接通后級(jí)負(fù)載時(shí)刻，去耦電容帶來(lái)的浪涌電流就會(huì)拉低前級(jí)LDO的電壓，當(dāng)電壓低于MCU正常工作的最小電壓時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)掉電復(fù)位。其實(shí)如果采用上述集成開(kāi)關(guān)代替原來(lái)的MOSFET，就可以很好地解決該問(wèn)題了，但成本也會(huì)相應(yīng)增加！
4.最后，當(dāng)存在多個(gè)供電路徑時(shí)，比如POE/AC-DC/Battery多種供電輸入的小基站應(yīng)用，就需要一個(gè)復(fù)用器對(duì)不同的電源路徑予以選擇，提供給后級(jí)系統(tǒng)，這就需要下面介紹的多路電源復(fù)用器：
圖6 多路復(fù)用器（MUX）示意圖
電源多路復(fù)用器（如圖6）在兩個(gè)輸入電源路徑之間進(jìn)行選擇，并將其轉(zhuǎn)換為具有保護(hù)功能的單路輸出。電源多路復(fù)用器在桶形插孔、USB、無(wú)線充電、備用電源和電池等不同輸入之間進(jìn)行選擇。此外，這些器件可協(xié)助需要快速或無(wú)縫切換響應(yīng)的應(yīng)用。這可確保系統(tǒng)在任何電源轉(zhuǎn)換期間都不會(huì)復(fù)位。它還可以為在兩個(gè)不同電壓下工作的子系統(tǒng)提供兩個(gè)不同電壓電平之間的切換。與負(fù)載開(kāi)關(guān)類(lèi)似，多路復(fù)用開(kāi)關(guān)還包含可調(diào)節(jié)的電流限制、過(guò)溫保護(hù)等功能、以及浪涌電流控制，以防止發(fā)生大的瞬態(tài)電流事件。
上面介紹的幾類(lèi)電源開(kāi)關(guān)有些功能是重合的，特別是一些檢測(cè)保護(hù)功能，但有些又略微有些區(qū)別（就好比我們要選一款帶有照相功能的手機(jī)呢？還是選擇一款帶有通話功能的相機(jī)，這是一個(gè)問(wèn)題）。因此我在下面總結(jié)了一張表格，用于對(duì)比這幾款器件的特性，可能不是很全面，以后我會(huì)不斷更新，慢慢補(bǔ)充。
圖7 負(fù)載開(kāi)關(guān)性能對(duì)比表
以上就是這次介紹的內(nèi)容，也是電源架構(gòu)專(zhuān)題的最后一篇了，后續(xù)我想逐步開(kāi)始總結(jié)一些關(guān)于電源拓?fù)浞矫娴臇|西，以BUCK為主（因?yàn)楣ぷ髦兄饕玫竭@個(gè)），其他的也概要的會(huì)介紹，繼續(xù)周末愉快，哈哈~