MOSFET 安全工作區(qū)對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固熱插拔應(yīng)用的意義所在

引言

即使是在插入和拔出電路板和卡進(jìn)行維修或者調(diào)整容量時(shí)，任務(wù)關(guān)鍵的伺服器和通信設(shè)備也必須能夠不間斷工作。熱插拔控制器 IC 通過軟啟動(dòng)電源，支持從正在工作的系統(tǒng)中插入或移除電路板，從而避免了出現(xiàn)連接火花、背板供電干擾和電路板卡復(fù)位等問題?？刂破?IC 驅(qū)動(dòng)與插入電路板之電源相串聯(lián)的功率 MOSFET 開關(guān) (圖 1)。電路板插入后，MOSFET 開關(guān)緩慢接通，這樣，流入的浪涌電流對(duì)負(fù)載電容充電時(shí)能夠保持在安全水平。

圖1：可插入電路板的熱插拔控制器

當(dāng)熱插拔電路出現(xiàn)故障時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)一般在 MOSFET 開關(guān)上，因而可能會(huì)損害或破壞熱插拔控制器。MOSFET 出現(xiàn)故障常見的原因是在選件時(shí)沒有重視其安全工作區(qū) (SOA)。相反，選擇 MOSFET 時(shí)主要考慮了電阻 (R_DS(on)) 上漏-源極以及最大漏極電流 (I_D(max))?；蛘撸略O(shè)計(jì)基于負(fù)載電容較小的老款設(shè)計(jì)，同樣的 MOSFET 能夠很好的工作。大部分功率 MOSFET 針對(duì)低 R_DS(on) 和快速開關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化，很多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師習(xí)慣面向這些特性來選擇 MOSFET，而 MOSFET 在顯著時(shí)間于高損耗開關(guān)狀態(tài)下過渡，卻在電路忽略了 SOA。在 MOSFET 制造商參數(shù)選擇表中沒有 SOA，它并不能幫助。即使是注意到 SOA，由于 SOA 數(shù)據(jù)通常是基于計(jì)算而不是測(cè)試數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)用的降額或余量并不明顯。

MOSFET 安全工作區(qū)

SOA 是對(duì) MOSFET 在脈沖和 DC 負(fù)載時(shí)功率處理能力的衡量。在 MOSFET 產(chǎn)品手冊(cè)的圖表中進(jìn)行了闡述，如圖 2 的實(shí)例所示。其 x 軸是 MOSFET 漏-源極電壓 (V_DS)，而 y 軸是漏極電流 (I_D);兩個(gè)軸都使用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。在這張圖中，直線 (每一條代表不同的 t_P) 表示恒定 MOSFET 功率。每條線代表了 MOSFET 在某一脈沖寬度 t_P 時(shí)允許的功耗，t_P 的范圍在微秒至無窮大 (DC)。例如，圖中顯示了對(duì)于 10ms 脈沖，MOSFET 漏-源極上有 5V 電壓，流過的電流為 50A，計(jì)算得到功耗是 250W。同樣脈沖寬度下較低的功耗保證了安全 MOSFET 工作，圖中標(biāo)注為 10ms 線下面的區(qū)域，這就是 “安全工作區(qū)”。圖的兩端是由接通電阻、漏-源極擊穿電壓、和最大脈沖漏極電流決定。

圖 2：PSMN3R4-30BLE N 溝道 MOSFET 的安全工作區(qū)

為什么 SOA 對(duì)于熱插拔應(yīng)用非常重要?

電路中采用的大部分功率 MOSFET 都能夠快速接通和關(guān)斷，以納秒的時(shí)間處于高損耗轉(zhuǎn)換狀態(tài)。在這類應(yīng)用中，SOA 并不是主要問題。相反，SOA 對(duì)于熱插拔電路是非常重要，提供了輸入浪涌電流控制 (軟啟動(dòng))、限流和電路斷路器功能。要理解這一點(diǎn)，請(qǐng)看熱插入電路板的啟動(dòng)波形 (圖 3a)。當(dāng)電路板插入到 12V 背板電源時(shí)，熱插拔控制器等待連接器接觸反彈完成，隨后軟啟動(dòng) MOSFET 柵極。然后，輸出電壓跟隨并在 40ms 內(nèi)達(dá)到 12V。在這一軟啟動(dòng)期間，會(huì)有 200mA 的電容充電電流流過 MOSFET，而其漏-源極電壓從 12V (= 12V_IN − 0V_OUT) 幾乎降至 0V (= 12V_IN − 12V_OUT)。在負(fù)載上出現(xiàn)短路時(shí) (圖 3b)，控制器將 MOSFET 上的電流限制在 6A，電壓為12V (= 12V_IN − 0V_OUT)。這一 72W 功耗狀態(tài)持續(xù) 1.2ms，直至電路斷路器定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束。在啟動(dòng)浪涌和限流等狀態(tài)中，需要熱插拔 MOSFET 處理持續(xù)數(shù)百微秒至數(shù)十毫秒的顯著功耗，應(yīng)注意其 SOA 性能。

圖 3a. 電路板熱插入到 12V 背板電源時(shí)的軟啟動(dòng)

圖 3b. 輸出短路期間的限流

集成 MOSFET 熱插拔控制器以及有保證的 SOA

凌力爾特公司提供了集成 MOSFET 的熱插拔控制器系列，設(shè)計(jì)師不需要花費(fèi)時(shí)間來搜尋 MOSFET 數(shù)據(jù)資料以達(dá)到最佳適配，從而簡(jiǎn)化了熱插拔設(shè)計(jì)師的工作。這一系列中的最新型號(hào) LTC4233 和 LTC4234 (圖 4) 是集成了 MOSFET 和電流檢測(cè)功能的 10A 和 20A 熱插拔控制器，供電范圍在 2.9V 至 15V，覆蓋了標(biāo)準(zhǔn) 3.3V、5V 和 12V 電源。通過集成兩個(gè)最關(guān)鍵和最大的熱插拔組件 (功率 MOSFET 和檢測(cè)電阻)，這些控制器有助縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和減小電路板面積，為最終產(chǎn)品增加了更有價(jià)值的特性。

圖 4：LTC4234：20A 有保證的 SOA 熱插拔控制器

LTC4233 和 LTC4234 控制器特有的特性是產(chǎn)品手冊(cè)中保證了其內(nèi)部 MOSFET SOA，而這在獨(dú)立 MOSFET 中是找不到的。每器件的 SOA 在 SOA 圖中的單點(diǎn)上經(jīng)過了產(chǎn)品生產(chǎn)測(cè)試。圖 5 顯示了 LTC4234 的 SOA 圖。從輸入至輸出上應(yīng)用 13.5V 電壓，輸出源出 6A 并持續(xù) 30ms，以對(duì)其 SOA 進(jìn)行了測(cè)試。得出的功耗是 81W。這在 SOA 圖中以紅點(diǎn)表示。采用了同樣的電壓對(duì) LTC4233 進(jìn)行了測(cè)試，只是電流和功率減半 (即 3A 和 40.5W 并持續(xù) 30ms)。注意，LTC4233 和 LTC4234 SOA 圖顯示了有保證的最小 SOA，而 MOSFET 數(shù)據(jù)表顯示了典型值。

圖 5：LTC4234 熱插拔控制器有保證的安全工作區(qū)圖

LTC4233 和 LTC4234 還輸出地參考信號(hào)，該信號(hào)與通過內(nèi)部檢測(cè)電阻器上的負(fù)載電流成正比?？梢圆捎猛獠磕?shù)轉(zhuǎn)換器 (圖 4) 來測(cè)量這一輸出，向系統(tǒng)管理人員提供電路板電流和功耗數(shù)據(jù)。通過一個(gè)外部電阻器從其默認(rèn)值減小限流值，這樣，可以迅速調(diào)整以適應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化和各種應(yīng)用?？蛇x欠壓和過壓門限保護(hù)了下游負(fù)載不受超出有效窗口電壓的影響，從而防止了出現(xiàn)電路故障和損害。即使在不需要熱插入的地方，控制器也可以用于實(shí)現(xiàn)浪涌電流控制、限流和電路斷路器功能。這些控制器的典型應(yīng)用包括在任務(wù)關(guān)鍵的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和交換機(jī)、企業(yè)固態(tài)硬盤存儲(chǔ)和工業(yè)系統(tǒng)中空間受限的高密度電路板和卡等。

結(jié)論

除了熱插拔控制器本身，熱插拔電路還保護(hù)了電路板電源和 MOSFET 故障不會(huì)損壞 MOSFET 下游昂貴的處理電子器件?，F(xiàn)場(chǎng)故障、暴露 MOSFET 弱點(diǎn)等可能會(huì)導(dǎo)致高昂的回收，從而對(duì)聲譽(yù)造成損害。因此，應(yīng)確保選擇 MOSFET 能夠可靠處理熱插拔應(yīng)用中遇到的壓力，這一點(diǎn)非常重要。LTC4233 和 LTC4234 集成了 MOSFET 熱插拔控制器，減小了解決方案占板面積，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，對(duì)每一個(gè)控制器 SOA 進(jìn)行了新產(chǎn)品測(cè)試，確保了實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固可靠的解決方案。