前面把幾個(gè)重要行業(yè)的電源系統(tǒng)架構(gòu)簡單的梳理了一下，本來想著這個(gè)專題就結(jié)束了，但昨晚熄燈后夜不能寐，總覺得還缺點(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)板級電源系統(tǒng)的可靠性，因此，必須再寫一篇作為補(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，大到專門設(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)用最廣的一類產(chǎn)品——電源開關(guān)。電源開關(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負(fù)載提供保護(hù)。下圖顯示了各種電源開關(guān)的常見用例：

圖1. 電源開關(guān)常見用例圖

       從上面的用例圖中可以看到很多常見的電源開關(guān)器件：熱插拔控制器（Hot Swap controller）、電子保險(xiǎn)絲(eFuse）、負(fù)載開關(guān)(Load Switch)，理想二極管和ORing控制器，高邊開關(guān)（High Side Switch)，低邊開關(guān)（Low Side Switch)等。 這幾種具有不同功能的電源開關(guān)器件可滿足不同的應(yīng)用需求：

     1. 首先是系統(tǒng)供電接入主板母線之前，往往需要通過一個(gè)二極管，目的是利用其單向?qū)щ娦詠硖峁┓礃O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)過二極管后再并聯(lián)（直接并聯(lián)會有倒灌風(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，可通過監(jiān)視外部FET來提供反極性保護(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)營商級通信設(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的電容，在帶電插入母線過程中不可避免的會產(chǎn)生浪涌電流，過大的浪涌會把母線電壓拉低至系統(tǒng)欠壓點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位等問題，這就需要一個(gè)熱插拔控制器來保護(hù)后級系統(tǒng)。另外，在主板輸入電源處，通常還會串入保險(xiǎn)絲，防止過流過功率情況，初期的保險(xiǎn)絲其實(shí)是金屬熔絲，但鑒于其需要手動更換的問題，目前主板上采用電子保險(xiǎn)絲（efuse）進(jìn)行了替換，后來隨著功能更加完善，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，例如電流檢測監(jiān)控，電流限制，欠壓和過壓保護(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)問題，而恰恰這些問題會損壞系統(tǒng)組件。比如刀片服務(wù)器系統(tǒng)中，刀片主板會被頻繁更換，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沖電壓問題。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來提供后級系統(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，所以需要具體情況具體分析。

       3. 前面說的是主板入口處的保護(hù)，下面介紹一下主板內(nèi)部的開關(guān)器件: MCU需要驅(qū)動板子外部的大負(fù)載，但MCU本身驅(qū)動能力有限，因此就需要高/低邊開關(guān)作為驅(qū)動器，同時(shí)，這些驅(qū)動器內(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也會關(guān)斷某些板子內(nèi)部負(fù)載的電源（如不必要的無線功能等），這就需要一個(gè)板上的開關(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功能，可監(jiān)視輸出負(fù)載電流并檢測短路和開路負(fù)載事件等。高邊開關(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)高邊開關(guān)，可以為驅(qū)動電容，電感和LED負(fù)載提供更智能，更強(qiáng)大的解決方案。

圖4. 高/低邊開關(guān)示意圖

     （2）低邊開關(guān)，將負(fù)載接地，而不是在電源和負(fù)載之間提供連接。通過包含一個(gè)集成的反激二極管，低邊開關(guān)通過在電路環(huán)路中耗散電流來幫助消除電感性負(fù)載瞬變。這使他們能夠驅(qū)動電感性負(fù)載，例如螺線管，繼電器和電動機(jī)。

       其實(shí)上述高邊開關(guān)和低邊開關(guān)在之前介紹的汽車電源系統(tǒng)中，車身控制器（BCM）上就經(jīng)常用到，由于車身周邊有很多大功率負(fù)載，如車燈、雨刮器、車鎖等，這些負(fù)載無法使用MCU直接驅(qū)動，因此通過一個(gè)開關(guān)去控制他們的通斷。如上面所講，高邊開關(guān)在BCM中通常用來控制一些容性負(fù)載如車燈，而低邊開關(guān)則通常驅(qū)動一些感性線圈如繼電器負(fù)載，再由繼電器控制雨刮器、車鎖等的動作。

     （3）負(fù)載開關(guān)是可打開和關(guān)閉板內(nèi)電源軌的電子開關(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會將輸出VOUT拉至地，以防止輸出浮動或進(jìn)入不確定狀態(tài)。它的一些常見功能包括省電，電源排序和浪涌電流控制。

圖5 負(fù)載開關(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。通過斷開負(fù)載或子系統(tǒng)的電源，該開關(guān)可將非活動負(fù)載的功率降至最低。電源排序?qū)τ谛枰刺囟樞虼蜷_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)，對這些電容器進(jìn)行充電會導(dǎo)致較大的浪涌電流，超過額定負(fù)載電流。如果不加以解決，這可能會導(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)載開關(guān)可以通過使用CT引腳管理電源軌的上升時(shí)間來減輕浪涌電流。

       我之前做過的一個(gè)車身控制器（BCM）項(xiàng)目就出現(xiàn)過類似問題：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接通后級負(fù)載時(shí)刻，去耦電容帶來的浪涌電流就會拉低前級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)就會掉電復(fù)位。其實(shí)如果采用上述集成開關(guān)代替原來的MOSFET，就可以很好地解決該問題了，但成本也會相應(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)用器對不同的電源路徑予以選擇，提供給后級系統(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)載開關(guān)類似，多路復(fù)用開關(guān)還包含可調(diào)節(jié)的電流限制、過溫保護(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。

      上面介紹的幾類電源開關(guān)有些功能是重合的，特別是一些檢測保護(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)問題）。因此我在下面總結(jié)了一張表格，用于對比這幾款器件的特性，可能不是很全面，以后我會不斷更新，慢慢補(bǔ)充。

圖7 負(fù)載開關(guān)性能對比表

       以上就是這次介紹的內(nèi)容，也是電源架構(gòu)專題的最后一篇了，后續(xù)我想逐步開始總結(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)），其他的也概要的會介紹，繼續(xù)周末愉快，哈哈~