今天整理一个箱子里的一堆过时的卡，仔细的看一看，有ISA的Modem卡、PCI的显示适配器、32M的USB随身碟、PCMCIA的无线网络卡、以及一张64M的CF卡。我的天啊！当我一个个检视完的那一瞬间，彷佛时光在十几年内快速轮转，经历了一场完整的计算机周边发展历史。回过神来拿出感觉起来唯一可以用的随身碟，结果一插进现在的笔记本电脑，害我笔电当机挂了，拿到另一台笔电去试，系统告诉我您的装置无法辨识，最后发现随身碟发烫有怪味，显然的这只碟是坏了。而这是很多人会遇到的事，通常会怪碟很烂很坏而不会去怪罪笔电，毕竟付出的成本差很多而得要哄骗一下自己 (这是人性，读者不妨多加思索)。
检视这几年生产的笔记型NB电脑，会发现几个对外的连接孔，如表1所示：
除了PCMCIA已经随着时代变迁而功成身退，其他的东西都还得必须黏在机器上面，因为现阶段都还算是标准该附的东西。
这篇文章要来探讨的主题便是为甚么A台笔电会因为这样而挂点，而B台却不会，笔者将以电源管理与完善保护的角度，佐以多年在NB笔记本电脑的R&D研发经验，为读者分析计算机设备里电源保护开关─Power Switch的应用以及设计这样的IC应有的切入角度。这个现象的答案很简单，问题在USB接口跟笔电内部系统电源之间电源开关Power Switch有关，但也跟运气有点关系，来看一下笔者的说法也许可以减少运气不好的机会喔！
USB接口的电源管理分析
USB的好用大家都知道，随插即用而且接头都长得一样，终于可以免除掉一堆复杂的RS232, LPT打印机专用等等的奇形怪状界面对人心的摧残(被摧残过的都知道)。关于USB的常识，除了D+、D-两条资料线以外，其特点就是对外可以提供500mA的外推能力，并且具有过载保护的功能，也就是说假设插进去的装置是个不正常或是短路损坏的装置，需要有一个中间的装置来隔离使笔电内部的主电源不受牵连。这个中间的装置叫做电源保护开关Power Switch，有USB的输出接口一定会有，而常见的分主动的半导体IC集成电路式；跟被动的可Poly Fuse回复式电子保险丝两种。Poly Fuse有很多种称呼，主要功能在过电流状况下阻断回路，售价极其便宜，但Poly Fuse不在本章主题范围之内，后面仅会以一个对照组的方式存在本章内。
一个主动型的Power Switch会具有下列功能，但笔者根据其发展历史过程细分为基本、进阶跟高级的等级：
● Low Channel Resistance(低通道电阻)：
USB的主机端输出的电源规范为4.75V～5.25V，考虑到导线线阻与损耗因而装置端的电源规范为4.4V～5.25V。一般笔电的系统5V准确度都很高，以系统设计的最低公称电压(VIN)供应到电源开关的头端来算，流了电流(IOUT)过某个阻抗值的通道(RDSON)后还要有4.75V(VOUT)的电压，也就是以下面的式子来估算：VOUT≥VIN-(IOUT ×RDSON)----(1)
当系统产生一个5V整的电压来到电源开关的头端，并流过500mA的时候，会得到RDSON应该要大于0.5Ω也就是500mΩ。但仔细研究了一下目前在笔电里市占率极高的几家供货商的规格书(TPS2061、G545、LM3525、RT9711)会发现其RDSON都介于70mΩ到100mΩ之间，有以下两个原因：
1.历史因素：早期的Power Switch是从150mΩ开始做的，后面的产品没道理比这个值差。
2.电流因素：现在的Power Switch其实可以提供的电流大都已经超过1.1A甚至到达2A，目的是可以推动更多奇奇怪怪的装置比方说外接式硬盘、多媒体装置等等，因为USB只有规定要超过0.5A却没有规定不能超过到哪里，大一点的电流就要搭配小一点的RDSON，所以演变到常见的低于100mΩ的数字。
● OCP，Over Current Protection(过流保护)：
顾名思义，当流过通道的电流到达某个设定值的时候，加以限制电流的上升而令电流夹在这个设定值。但是一般规格书里的OCP值的标示一定会有最小值(Min.)、典型值(Typ.)跟最大值(Max.)３种，这３个值的标示一般以典型值中心点而距离最大值跟最小值约有35%～40%的差异，这当然跟一般半导体制程在限流值的控制无法达到很精确有关，但使用者却会有需求要确认这些数字来抓取其系统的电源设计范围。
所以业者的测试程序要对这３个值负责任，一般而言约会有85%的IC落在典型值附近，而就算是上下差距达到35%左右的，也被当成是合格货可以出给制造商。只是这样多少会造成一些使用上的误解，因为最大需求不得大于最小供给的原则下，可采信的只有最小供应值，这一点外商如TI德州仪器、NS美国国家半导体等大厂的标示以及应用建议比较清楚，台湾地区的几家供货商虽然在市占率上有所斩获但还是要多多注意！
另外，值得注意的地方是其限流值的界定还分慢慢顶到(Ramp Current)跟一下就顶到(Short Circuit)两种，慢慢上升的可以忍受多一点，而发现是很快就冲上来的会压制在比较低的值。图2是很好的一张参考图表，其典型值为1.5A而在正常的情况下限流值准确的待在1.5A左右，随着输出电压的降低(表示装置的取电状况有问题)最后若是输出端短路的时候会有Fold Back的现象，也就是降到一个相对低点的电流值，这是极佳的设计对系统的保护有加分的作用，这一点笔者实测的结果以台湾致新科技(GMT)的电源开关表现的最好。
● OTP，Over Temperature Protection (过温保护)
这个功能可以说是与生俱来的，因为Power Switch跟线性稳压器(Linear Regulator)甚至其它种类模拟IC一样都要有过温度保护，除了防止热的无限制累积会导致芯片损毁，也要防止来自芯片本身的高温会将焊锡溶化，造成芯片的“游泳”现象飘到不该去的地方造成更大的损失。
一般而言这个值设在135℃～150℃之间，只要温度到达这个值，芯片会将输入与输出之间的通道MOSFET关闭造成无输出以达到阻绝热的持续累积，并且维持一个系统稳定会加上10℃～20℃的磁滞范围，使温度回落至低于过温点的某个安全点再将芯片回复正常动作。这是基本配备，换个角度想比OCP更重要，几乎不会有供货商没做这个功能而产品可以面世的。
● ON/OFF Enable (开关致能)
简单的描述就是控制电源过去不过去，这个功能原本不见得每个使用者都会去用，大多时候都是直接跟输入端接在一起的。后来因为要搭配关机放电的功能，改由EC(内嵌控制器)的GPIO来控制。值得一提的是芯片供货商多有高电位致能(High Enable)跟低电位致能(Low Enable)两种选择，方便控制准位搭配。
控制电压为搭配3.3V的GPIO准位，也由以前CMOS的1/2 VDD演变成为今日的1.8V可以涵盖所有LVTTL以及LVCMOS的逻辑准位。
● UVLO，Under Voltage Lock Out (低电压闩锁)
虽然这些USB用的Power Switch主要的应用场合为5V的环境，但并没有规定不能用在3.3V的环境。不过动作在5V和3.3V的环境下通道MOSFET因为偏压的不同，也会造成RDSON的不同。不过如果再往下的话除了没有应用场合，也相对没有意义，并避免低电压误动作所以加上个UVLO，也避免电源在爬升的期间误动作。
● Error Flag Out (过流旗标输出)
对USB Power Switch来说，过流的限制是自主的动作。不过Error Flag的设计，让芯片本身有管道通知系统控制器过流现象的发生。这个功能因为几乎都是Open Drain的设计，所以都是低电位告知，而在这个IC脚位的名称定义也不尽相同，有叫#OC、#Flag、#FLG等等的名称，基本上指的都是同一件事。
● Deglitch(过流误动作防止)
USB电源开关里的过流旗标OC是一个Open Drain的架构，以方便配合各种接口电压的控制器。目的是在过电流发生的时候用来回报通知系统控制端输出端口的状况。但因为输出端或是插进来的装置一般都会挂一个电容器，也就是说当系统开机打开或是系统与装置两造开始接触的时候，会有一个极大的电流(通常会超过限流值)流进电容器，容易造成误动作。Deglitch的功能是针对OC信号的发布所做的延迟动作，详细的运作是当第一次OC现象发生时，系统会自主的进行限流而同时间会有个计数器开始数时间，过了某个特定时间以后再次检测过电流现象是否存在，若有则OC旗标成立通知系统控制器，若过电流现象已经消失则不通报系统控制器当成是暂时现象。
这个功能当然是需求带动的供给，解决了早期USB电源开关容易误动作的情形，而当前几家设立了10mS这个Deglitch时间后，往后所有的Power Switch也都围绕在这个数值附近。
● UL(安规认证)
所有的安规都来自于IEC这个机构，跟Power Switch比较相关的是IEC60950这个规范，而笔记型计算机在出厂的安规认证通常会有UL这个实验室标准的认可，所以几乎所有的要卖到PC领域里的Power Switch规格书的首页都会见到底下这一行来表示他们这个产品通过UL的认证：
UL Listed - File No. Exxxxxx
其实这是一项后来才衍生出来的需求，早先的Power Switch因为对应进去的能量提供者系统5V最多仅可以提供3A～4A，装置再怎么错怎么损毁顶多这些电流就会造成系统电源的保护，而从IEC60950延伸出来的各家如UL60950-1针对可提供超过25VA而进入小功率范围的电力来源需进行安规认证，显然过去的系统并不会顶到这个点。现今的5V系统电源一开就是6A～8A，直接从USB接口看回去就会有最大超过25VA的电力输出，所以过安规程了这类电源开关必备的条件了。如此一来NB系统制造商只要提出证明并宣称USB Power Switch有安规认证，这部分便可以符合认证。
更甚者后来有CB相关的reporting，也让许多芯片供货商又多花了一笔钱。
● RCP，Reverse Current Protection (逆向电流防止)
有一阵子USB接口面临很尴尬的处境，几乎所有的规格都把电流定在1A以下，而一大堆吃电的USB周边怪兽倾巢而出，比方说USB外接式的硬盘或是带电源输入的USB集线器。问题就发生在外接电源的USB周边装置的电随时都会插着，而电源开关的内建通道MOSFET其实没那么聪明，他是双向导通的。所以开关开启时系统端的电出的去，但再关闭的情况下外接电源却也可以透过MOSFET本身的物理结构造成的Body Diode串进来。当内建外接同时存在时，不会有太大问题，只是当系统电源消失而外接电源持续存在的时候，电会由外向内透进来取代USB开关的主电源并在系统的5V电源路径上留有一个电压，只要这个电压持续存在，系统下次开机的时候系统5V的电源转换芯片会因为这个串进来的电压而误判认为系统不正常，结果就是无法正常开机。
解决方法就是移去外接电源，再则是让电源开关具有RCP逆向电流防止的功能。
近来No Body Diode的设计如图3所示：
● Turn On Rising (开机缓起动)
一般的电源开关通道会采用N-MOSFET，所以会需要一个Charge Pump来把驱动N-MOSFET的电压推升起来，Charge Pump把电压打起来就需要时间，也就是目前常见的400uS~1000uS规格的来由。
过快的启动爬升会造成瞬间电流(Spike Current)过大，影响到前级电源供应稳定度。又因为电源开关的应用范围实在是广阔许多，所以部分芯片厂商也推出以缓起动为诉求的电源开关来造成差异化，抢占某些特定的应用场合，比如说系统开电3.3V或是5V给显示屏(Panel) 的开关，面板的规格就要求要具有缓起动超过500uS的时间。所以在笔者的认定里，超过1mS的缓起动基本上就可用来宣称功效了。
● Shutdown Discharge (关机放电)
记得有一回，笔者设计的电源开关保护线路(其实按图施工，称不上设计)，顺利的开启后，却一直都关不掉，让笔者左思右想更检查了所有的控制线路，量遍了每一根接脚的电压，最后终于确认不是我的问题，而且每一颗IC都这样，想要好好的跟供货商抱怨一番展现一下RD的威严，吃过饭也摸了一个小时准备开始打电话的时候，发现电压降到3.8V了。
其实电源开关已经关断了，只是外面那个电容把电保持住了没地方放电而已。笔者相信这个经验很多人有过，所以电源开关芯片厂商为善尽良善义务以及抓住RD的心，开发出在致能(Enable)放开了以后，会把连接在IC输出端内部的一个MOSFET打开，内部连结一个阻抗(一般为100Ω)供输出电容放电，真是个贴心的设计不是吗？
● OCP Adjustable (过流点可调)
走笔至此，Power switch也没什么好菜好端出来了，难道也验证了越高档越不需要的RD真理吗？当然不是的，现在要谈的OCP Adjustable则是一项了不起的功能。
几乎每一颗Power switch IC的限流点都是固定的，但有趣的却是每一电流点的需求都不一样，所以便有芯片商开发出一颗IC可以涵盖所有的限流点，只是藉以调整的方式不一定，有的是透过外接电阻决定，也有的是透过2～3支pin脚为选择。
某个定值的电阻或是选择其实都不能真的很准确的决定电流值，误差15%以内算表现很好。
● Thermal Independent (双通道过温独立)
这个功能是发生在双信道的电源开关身上的高档设置。双通道的Power switch在一个封装上一次服务了两个通道，其实可以达到节省成本的功能，但他有个十分致命的缺点。因为两个信道都在同一个芯片上，温度的分布在芯片上几乎是相同的，所以只要有一个通道因为短路而过温了，另外一个通道也会跟着因为过温而中断输出，造成大家一起失效的后果。但是这里要称赞一下模拟IC的龙头德州仪器的双信道电源开关，利用巧妙的过温独立设置，所以没有这样的现象发生。
当某一个通道过温的时候，另一个通道的过温点会自动垫高15℃～20℃，所以当某个通道因为某些原因发生过温现象的时候，另一个通道还可以正常工作，不至于有跟着一起闷着烧的问题发生。
● ESD enhanced (ESD防护加强)
静电一向是IC的杀手，所以EOS(Electrical Over Stress)电气过压一直都是厂商在做NG分析报告的最佳帮手，把问题推向未知的天命，让大家一同来承担这个不知道要找谁的物问题。所以也有厂商很积极的在ESD防护上面做改进。
笔者很认同这样的双赢加强，这样可既以增加应用的范围，也可以提升产品的价值。
Express Card的电源管理分析
USB还没出现之前，PCMCIA曾经是笔电对外扩充的首选，最早只是锁定在记忆卡的PC Card仅为16bit，而后在相同的机械插槽配置，发展成Card Bus规格配合PCI 32bit的特性运行在33MHz的总线速度下达到132Mbps的速度。这样的速度的确满足笔电需求很长一段时间。直至USB 2.0的480Mbps、1394的400Mbps以及PCIe 1.0的2.5Gbps都已经大幅超越原先的132MBps，Express Card就被原本PCMCIA的制订委员会提出来取代PCMCIA成为新一代笔记型计算机的扩充接口，并于2007后期开始取代PCMCIA在笔电两侧的位置，以至于今日每一台新出厂的笔电几乎都有Express Card的插槽，在笔者多年的RD研发经验来看，跟USB、PCI一样成为成功的计算机界面。
Express Card跟PCMCIA一样都有热插拔的特性，所以就必须具有电源管理配置的芯片。兼顾技术发展以及回溯兼容，详见下表为主要电源管理规格：
PCMCIA已经远去所以笔者不加以讨论，现在要来提的是Express Card的电源管理。
3.3V和1.5V是Express Card的两个主要供应电压，对应到系统内部电源一般3.3V直接接到3.3V主电源而1.5V产生的方式比较随机，不过同样都有限流的需求，所以一颗电源管理芯片实不可少。以往PCMCIA插槽的电源管理芯片会跟桥接芯片绑在一起，所以传统是TI、O2、Ricoh乃至于后来的台系厂商ENE(迅杰)的竞争态势。
而Express Card的接口可以直接接触到PCIe不需要像PCMCIA一样要透过桥接芯片进系统，因此仅需要一颗电源管理芯片，而目前市场上的供货商极多以传统TI、O2、Ricoh加上在USB范围内的主要供货商致新(GMT)为主要竞争者。而且要送往Express Card的论坛申请Compliance Checklist取得一个ID编号才会为笔电制造商所接受。
3.3V的对低电流输出需求为1.35A而1.5V是0.67A，因为所有的保护方式跟前面提到的USB电源开关一样，所以笔者不再赘述。PCMCIA到Express Card是个相当成功的转换，简而言之是一个电压功耗往低的跑，运作速度扩充性往高的跑的优化演进。
后记
笔者在这一篇文章里谈到的是由笔电内部向外看的眼光，事实上USB、PCMCIA或是Express Card附加装置制造商看待这些接口除了数字部分的通信协议以外，电源的取用往往是一门更大的学问，因而必须得要仰赖更深度或是更贴近事实需求的电源管理芯片，就像笔者提到过的，一支随身碟跟一台笔电相冲突的时候，使用者主观意识上会去怪罪比较便宜的那个装置。这样是不是也对附加装置的制造商造成一些压力呢？
有机会的话笔者也会再与读者分享，根据附加卡的应用特性功能以及种类，从笔电界面外看回去的电源管理设计观点！(作者具10年系统RD与IC design house FAE经验, 目前自由写作)
