前面把幾個重要行業的電源系統架構簡單的梳理了一下，本來想著這個專題就結束了，但昨晚熄燈后夜不能寐，總覺得還缺點什么，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，電源系統的設計不僅僅是LDO和DCDC的堆疊，其實還有不可忽略的一部分電路，那就是電源保護，這部分設計的質量決定了整個板級電源系統的可靠性，因此，必須再寫一篇作為補充，這樣，才算基本完成了電源系統架構的一個介紹。
電源系統的保護器件十分繁雜，大到專門設計的電源管理IC,小到一顆0603的ESD瓷片電容，本文重點介紹一下保護器件中最重要也是應用最廣的一類產品——電源開關。電源開關用于設計中的多個位置，可在輸入端提供保護，在整個系統內進行配電并在輸出端為非板級負載提供保護。下圖顯示了各種電源開關的常見用例：
圖1. 電源開關常見用例圖
從上面的用例圖中可以看到很多常見的電源開關器件：熱插拔控制器（Hot Swap controller）、電子保險絲(eFuse）、負載開關(Load Switch)，理想二極管和ORing控制器，高邊開關（High Side Switch)，低邊開關（Low Side Switch)等。 這幾種具有不同功能的電源開關器件可滿足不同的應用需求：
1. 首先是系統供電接入主板母線之前，往往需要通過一個二極管，目的是利用其單向導電性來提供反極性保護。另外，考慮到系統供電的可靠性，一般采用多路相同的電源模塊分別經過二極管后再并聯（直接并聯會有倒灌風險），提供冗余備份，保證某一路供電失效情況下，系統還能夠穩定運行。下面的Oring就可以實現這一功能：
理想二極管（Ideal diode）也叫Oring控制器，可通過監視外部FET來提供反極性保護，從而顯著降低功耗并阻止反向電流。其實就是原本二極管的應用如：合路、整流、單向保護等場景中，由于其正向壓降偏大、損耗大、效率低，而且溫度系數為負，無法直接并聯使用，因此采用了MOSFET代替，但還需要加入相應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，包括運營商級通信設備的-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：在之前介紹的計算機電源系統架構中，它可以用在一次電源（AC-DC）內部，便于組建數據中心CRPS電源的N+1冗余結構，降低數據掉電丟失概率。
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生浪涌電流，過大的浪涌會把母線電壓拉低至系統欠壓點，導致系統復位等問題，這就需要一個熱插拔控制器來保護后級系統。另外，在主板輸入電源處，通常還會串入保險絲，防止過流過功率情況，初期的保險絲其實是金屬熔絲，但鑒于其需要手動更換的問題，目前主板上采用電子保險絲（efuse）進行了替換，后來隨著功能更加完善，電子保險絲也承擔了一部分熱插拔控制器的功能。詳細介紹如下：
熱插拔控制器和eFuse(電子保險絲)，它們提供附加的輸入功率路徑保護功能，例如電流檢測監控，電流限制，欠壓和過壓保護以及熱關斷等。這使得這些設備非常適合熱插拔和瞬態問題，而恰恰這些問題會損壞系統組件。比如刀片服務器系統中，刀片主板會被頻繁更換，而鑒于服務器系統需要保證數據不丟失，因此無法實現斷電后更換主板，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計熱插拔電路或efuse來提供后級系統保護。
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別，其實主要就是efuse將外置的MOSFET集成進了IC中，由于 eFuse包含一個集成FET，因此可最大程度地減小整體解決方案的尺寸。當然，有些efuse甚至連ORing功能也集成了進去，有沒有很強大？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efuse并聯，但那樣又抵消了集成MOS后的面積優勢，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，下面介紹一下主板內部的開關器件: MCU需要驅動板子外部的大負載，但MCU本身驅動能力有限，因此就需要高/低邊開關作為驅動器，同時，這些驅動器內部也集成了各種保護功能，保護負載和自身的穩定工作。另外，考慮到降低功耗，在休眠時候，MCU也會關斷某些板子內部負載的電源（如不必要的無線功能等），這就需要一個板上的開關器件（Load Switch），供MCU控制電源軌的通斷。下面逐一介紹：
（1）高邊開關，用于板外負載保護和通斷。它們提供了附加的診斷遙測功能，可監視輸出負載電流并檢測短路和開路負載事件等。高邊開關具有可調節的電流限制，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用中。在設計中添加一個高邊開關，可以為驅動電容，電感和LED負載提供更智能，更強大的解決方案。
圖4. 高/低邊開關示意圖
（2）低邊開關，將負載接地，而不是在電源和負載之間提供連接。通過包含一個集成的反激二極管，低邊開關通過在電路環路中耗散電流來幫助消除電感性負載瞬變。這使他們能夠驅動電感性負載，例如螺線管，繼電器和電動機。
其實上述高邊開關和低邊開關在之前介紹的汽車電源系統中，車身控制器（BCM）上就經常用到，由于車身周邊有很多大功率負載，如車燈、雨刮器、車鎖等，這些負載無法使用MCU直接驅動，因此通過一個開關去控制他們的通斷。如上面所講，高邊開關在BCM中通常用來控制一些容性負載如車燈，而低邊開關則通常驅動一些感性線圈如繼電器負載，再由繼電器控制雨刮器、車鎖等的動作。
（3）負載開關是可打開和關閉板內電源軌的電子開關。當內部FET導通時，電流從輸入流向輸出，并將功率傳遞至下游電路。當關閉供電電源時，內部FET會將輸出VOUT拉至地，以防止輸出浮動或進入不確定狀態。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 負載開關示意圖
在希望最大程度地減少電流耗散和提高電源效率的應用如電池供電應用中，節電至關重要。通過斷開負載或子系統的電源，該開關可將非活動負載的功率降至最低。電源排序對于需要按特定順序打開和關閉各個電壓軌的應用非常重要。如上圖5所示：通過配置CT和QOD引腳，可以調整上升和掉電時序。
除此之外，浪涌電流控制可保護在負載附近包含大容量電容器的系統。最初給系統供電時，對這些電容器進行充電會導致較大的浪涌電流，超過額定負載電流。如果不加以解決，這可能會導致電壓軌由于壓降而掉落至不規范狀態，從而導致系統進入不良狀態。負載開關可以通過使用CT引腳管理電源軌的上升時間來減輕浪涌電流。
我之前做過的一個車身控制器（BCM）項目就出現過類似問題：因為負載電源軌存在大量去耦電容，因此當MCU結束休眠，控制MOSFET接通后級負載時刻，去耦電容帶來的浪涌電流就會拉低前級LDO的電壓，當電壓低于MCU正常工作的最小電壓時，系統就會掉電復位。其實如果采用上述集成開關代替原來的MOSFET，就可以很好地解決該問題了，但成本也會相應增加！
4.最后，當存在多個供電路徑時，比如POE/AC-DC/Battery多種供電輸入的小基站應用，就需要一個復用器對不同的電源路徑予以選擇，提供給后級系統，這就需要下面介紹的多路電源復用器：
圖6 多路復用器（MUX）示意圖
電源多路復用器（如圖6）在兩個輸入電源路徑之間進行選擇，并將其轉換為具有保護功能的單路輸出。電源多路復用器在桶形插孔、USB、無線充電、備用電源和電池等不同輸入之間進行選擇。此外，這些器件可協助需要快速或無縫切換響應的應用。這可確保系統在任何電源轉換期間都不會復位。它還可以為在兩個不同電壓下工作的子系統提供兩個不同電壓電平之間的切換。與負載開關類似，多路復用開關還包含可調節的電流限制、過溫保護等功能、以及浪涌電流控制，以防止發生大的瞬態電流事件。
上面介紹的幾類電源開關有些功能是重合的，特別是一些檢測保護功能，但有些又略微有些區別（就好比我們要選一款帶有照相功能的手機呢？還是選擇一款帶有通話功能的相機，這是一個問題）。因此我在下面總結了一張表格，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，慢慢補充。
圖7 負載開關性能對比表
以上就是這次介紹的內容，也是電源架構專題的最后一篇了，后續我想逐步開始總結一些關于電源拓撲方面的東西，以BUCK為主（因為工作中主要用到這個），其他的也概要的會介紹，繼續周末愉快，哈哈~