前面把几个重要行业的电源系统架构简单的梳理了一下，本来想着这个专题就结束了，但昨晚熄灯后夜不能寐，总觉得还缺点什么，最后终于想明白了，作为电源工程师，尤其是板级电源（硬件）工程师，电源系统的设计不仅仅是LDO和DCDC的堆叠，其实还有不可忽略的一部分电路，那就是电源保护，这部分设计的质量决定了整个板级电源系统的可靠性，因此，必须再写一篇作为补充，这样，才算基本完成了电源系统架构的一个介绍。
电源系统的保护器件十分繁杂，大到专门设计的电源管理IC,小到一颗0603的ESD瓷片电容，本文重点介绍一下保护器件中最重要也是应用最广的一类产品——电源开关。电源开关用于设计中的多个位置，可在输入端提供保护，在整个系统内进行配电并在输出端为非板级负载提供保护。下图显示了各种电源开关的常见用例：
图1. 电源开关常见用例图
从上面的用例图中可以看到很多常见的电源开关器件：热插拔控制器（Hot Swap controller）、电子保险丝(eFuse）、负载开关(Load Switch)，理想二极管和ORing控制器，高边开关（High Side Switch)，低边开关（Low Side Switch)等。 这几种具有不同功能的电源开关器件可满足不同的应用需求：
1. 首先是系统供电接入主板母线之前，往往需要通过一个二极管，目的是利用其单向导电性来提供反极性保护。另外，考虑到系统供电的可靠性，一般采用多路相同的电源模块分别经过二极管后再并联（直接并联会有倒灌风险），提供冗余备份，保证某一路供电失效情况下，系统还能够稳定运行。下面的Oring就可以实现这一功能：
理想二极管（Ideal diode）也叫Oring控制器，可通过监视外部FET来提供反极性保护，从而显著降低功耗并阻止反向电流。其实就是原本二极管的应用如：合路、整流、单向保护等场景中，由于其正向压降偏大、损耗大、效率低，而且温度系数为负，无法直接并联使用，因此采用了MOSFET代替，但还需要加入相应的控制器来模拟二极管的电气特性。
图2. Oring控制器示意图
ORing控制器IC广泛适用于各种有源ORing电路，包括运营商级通信设备的-48V/-24V输入有源ORing、用于多路输出DC-DC及AC-DC电源的12V输出有源ORing，以及低电压输出的冗余VRM DC-DC中。例如：在之前介绍的计算机电源系统架构中，它可以用在一次电源（AC-DC）内部，便于组建数据中心CRPS电源的N+1冗余结构，降低数据掉电丢失概率。
2.除了冗余需求，有些板卡还有带电插拔的需求，但由于板卡入口处存在一定量级的电容，在带电插入母线过程中不可避免的会产生浪涌电流，过大的浪涌会把母线电压拉低至系统欠压点，导致系统复位等问题，这就需要一个热插拔控制器来保护后级系统。另外，在主板输入电源处，通常还会串入保险丝，防止过流过功率情况，初期的保险丝其实是金属熔丝，但鉴于其需要手动更换的问题，目前主板上采用电子保险丝（efuse）进行了替换，后来随着功能更加完善，电子保险丝也承担了一部分热插拔控制器的功能。详细介绍如下：
热插拔控制器和eFuse(电子保险丝)，它们提供附加的输入功率路径保护功能，例如电流检测监控，电流限制，欠压和过压保护以及热关断等。这使得这些设备非常适合热插拔和瞬态问题，而恰恰这些问题会损坏系统组件。比如刀片服务器系统中，刀片主板会被频繁更换，而鉴于服务器系统需要保证数据不丢失，因此无法实现断电后更换主板，只能是带电热插拔，这就造成了主板入口处供电的浪涌电流和过冲电压问题。这种情况下，就需要在主板入口处设计热插拔电路或efuse来提供后级系统保护。
图3. 热插拔控制器和efuse示意图
至于efuse和热插拔控制器的区别，其实主要就是efuse将外置的MOSFET集成进了IC中，由于 eFuse包含一个集成FET，因此可最大程度地减小整体解决方案的尺寸。当然，有些efuse甚至连ORing功能也集成了进去，有没有很强大？但是任何事情都是有利有弊的，集成的efuse方案无法做到很大的的通流能力，如果系统功耗很大，则可以考虑采用外置MOSFET的热插拔控制器或者也可以多个efuse并联，但那样又抵消了集成MOS后的面积优势，所以需要具体情况具体分析。
3. 前面说的是主板入口处的保护，下面介绍一下主板内部的开关器件: MCU需要驱动板子外部的大负载，但MCU本身驱动能力有限，因此就需要高/低边开关作为驱动器，同时，这些驱动器内部也集成了各种保护功能，保护负载和自身的稳定工作。另外，考虑到降低功耗，在休眠时候，MCU也会关断某些板子内部负载的电源（如不必要的无线功能等），这就需要一个板上的开关器件（Load Switch），供MCU控制电源轨的通断。下面逐一介绍：
（1）高边开关，用于板外负载保护和通断。它们提供了附加的诊断遥测功能，可监视输出负载电流并检测短路和开路负载事件等。高边开关具有可调节的电流限制，从而可以更可靠地使用到具有大浪涌电流启动曲线或低峰值电流的应用中。在设计中添加一个高边开关，可以为驱动电容，电感和LED负载提供更智能，更强大的解决方案。
图4. 高/低边开关示意图
（2）低边开关，将负载接地，而不是在电源和负载之间提供连接。通过包含一个集成的反激二极管，低边开关通过在电路环路中耗散电流来帮助消除电感性负载瞬变。这使他们能够驱动电感性负载，例如螺线管，继电器和电动机。
其实上述高边开关和低边开关在之前介绍的汽车电源系统中，车身控制器（BCM）上就经常用到，由于车身周边有很多大功率负载，如车灯、雨刮器、车锁等，这些负载无法使用MCU直接驱动，因此通过一个开关去控制他们的通断。如上面所讲，高边开关在BCM中通常用来控制一些容性负载如车灯，而低边开关则通常驱动一些感性线圈如继电器负载，再由继电器控制雨刮器、车锁等的动作。
（3）负载开关是可打开和关闭板内电源轨的电子开关。当内部FET导通时，电流从输入流向输出，并将功率传递至下游电路。当关闭供电电源时，内部FET会将输出VOUT拉至地，以防止输出浮动或进入不确定状态。它的一些常见功能包括省电，电源排序和浪涌电流控制。
图5 负载开关示意图
在希望最大程度地减少电流耗散和提高电源效率的应用如电池供电应用中，节电至关重要。通过断开负载或子系统的电源，该开关可将非活动负载的功率降至最低。电源排序对于需要按特定顺序打开和关闭各个电压轨的应用非常重要。如上图5所示：通过配置CT和QOD引脚，可以调整上升和掉电时序。
除此之外，浪涌电流控制可保护在负载附近包含大容量电容器的系统。最初给系统供电时，对这些电容器进行充电会导致较大的浪涌电流，超过额定负载电流。如果不加以解决，这可能会导致电压轨由于压降而掉落至不规范状态，从而导致系统进入不良状态。负载开关可以通过使用CT引脚管理电源轨的上升时间来减轻浪涌电流。
我之前做过的一个车身控制器（BCM）项目就出现过类似问题：因为负载电源轨存在大量去耦电容，因此当MCU结束休眠，控制MOSFET接通后级负载时刻，去耦电容带来的浪涌电流就会拉低前级LDO的电压，当电压低于MCU正常工作的最小电压时，系统就会掉电复位。其实如果采用上述集成开关代替原来的MOSFET，就可以很好地解决该问题了，但成本也会相应增加！
4.最后，当存在多个供电路径时，比如POE/AC-DC/Battery多种供电输入的小基站应用，就需要一个复用器对不同的电源路径予以选择，提供给后级系统，这就需要下面介绍的多路电源复用器：
图6 多路复用器（MUX）示意图
电源多路复用器（如图6）在两个输入电源路径之间进行选择，并将其转换为具有保护功能的单路输出。电源多路复用器在桶形插孔、USB、无线充电、备用电源和电池等不同输入之间进行选择。此外，这些器件可协助需要快速或无缝切换响应的应用。这可确保系统在任何电源转换期间都不会复位。它还可以为在两个不同电压下工作的子系统提供两个不同电压电平之间的切换。与负载开关类似，多路复用开关还包含可调节的电流限制、过温保护等功能、以及浪涌电流控制，以防止发生大的瞬态电流事件。
上面介绍的几类电源开关有些功能是重合的，特别是一些检测保护功能，但有些又略微有些区别（就好比我们要选一款带有照相功能的手机呢？还是选择一款带有通话功能的相机，这是一个问题）。因此我在下面总结了一张表格，用于对比这几款器件的特性，可能不是很全面，以后我会不断更新，慢慢补充。
图7 负载开关性能对比表
以上就是这次介绍的内容，也是电源架构专题的最后一篇了，后续我想逐步开始总结一些关于电源拓扑方面的东西，以BUCK为主（因为工作中主要用到这个），其他的也概要的会介绍，继续周末愉快，哈哈~