凌力爾特公司
混合信號產品部
高級產品市場工程師
Pinkesh Sachdev
引言
即使是在插入和拔出電路板和卡進行維修或者調整容量時，任務關鍵的伺服器和通信設備也必須能夠不間斷工作。熱插拔控制器 IC 通過軟啟動電源，支持從正在工作的系統中插入或移除電路板，從而避免了出現連接火花、背板供電干擾和電路板卡復位等問題。控制器 IC 驅動與插入電路板之電源相串聯的功率 MOSFET 開關 (圖 1)。電路板插入后，MOSFET 開關緩慢接通，這樣，流入的浪涌電流對負載電容充電時能夠保持在安全水平。
圖1：可插入電路板的熱插拔控制器
CONNECTORS：連接器
BACKPLANE：背板
HOT SWAP CONTROLLER：熱插拔控制器
當熱插拔電路出現故障時，薄弱環節一般在 MOSFET 開關上，因而可能會損害或破壞熱插拔控制器。MOSFET 出現故障常見的原因是在選件時沒有重視其安全工作區 (SOA)。相反，選擇 MOSFET 時主要考慮了電阻 (RDS(on)) 上漏-源極以及最大漏極電流 (ID(max))。或者，新設計基于負載電容較小的老款設計，同樣的 MOSFET 能夠很好的工作。大部分功率 MOSFET 針對低 RDS(on) 和快速開關進行了優化，很多電源系統設計師習慣面向這些特性來選擇 MOSFET，而 MOSFET 在顯著時間于高損耗開關狀態下過渡，卻在電路忽略了 SOA。在 MOSFET 制造商參數選擇表中沒有 SOA，它并不能幫助。即使是注意到 SOA，由于 SOA 數據通常是基于計算而不是測試數據，因此，應用的降額或余量并不明顯。
MOSFET 安全工作區
SOA 是對 MOSFET 在脈沖和 DC 負載時功率處理能力的衡量。在 MOSFET 產品手冊的圖表中進行了闡述，如圖 2 的實例所示。其 x 軸是 MOSFET 漏-源極電壓 (VDS)，而 y 軸是漏極電流 (ID)；兩個軸都使用了對數坐標。在這張圖中，直線 (每一條代表不同的 tP) 表示恒定 MOSFET 功率。每條線代表了 MOSFET 在某一脈沖寬度 tP 時允許的功耗，tP 的范圍在微秒至無窮大 (DC)。例如，圖中顯示了對于 10ms 脈沖，MOSFET 漏-源極上有 5V 電壓，流過的電流為 50A，計算得到功耗是 250W。同樣脈沖寬度下較低的功耗保證了安全 MOSFET 工作，圖中標注為 10ms 線下面的區域，這就是 “安全工作區”。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
為什么 SOA 對于熱插拔應用非常重要?
電路中采用的大部分功率 MOSFET 都能夠快速接通和關斷，以納秒的時間處于高損耗轉換狀態。在這類應用中，SOA 并不是主要問題。相反，SOA 對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)、限流和電路斷路器功能。要理解這一點，請看熱插入電路板的啟動波形 (圖 3a)。當電路板插入到 12V 背板電源時，熱插拔控制器等待連接器接觸反彈完成，隨后軟啟動 MOSFET 柵極。然后，輸出電壓跟隨并在 40ms 內達到 12V。在這一軟啟動期間，會有 200mA 的電容充電電流流過 MOSFET，而其漏-源極電壓從 12V (= 12VIN 0VOUT) 幾乎降至 0V (= 12VIN 12VOUT)。在負載上出現短路時 (圖 3b)，控制器將 MOSFET 上的電流限制在 6A，電壓為12V (= 12VIN 0VOUT)。這一 72W 功耗狀態持續 1.2ms，直至電路斷路器定時器計時結束。在啟動浪涌和限流等狀態中，需要熱插拔 MOSFET 處理持續數百微秒至數十毫秒的顯著功耗，應注意其 SOA 性能。
圖 3a. 電路板熱插入到 12V 背板電源時的軟啟動
CONTACT BOUNCE：接觸反彈
圖 3b. 輸出短路期間的限流
CONTACT BOUNCE：接觸反彈
SINGLE PULSE：單脈沖
GUARANTEED：有保證的
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，設計師不需要花費時間來搜尋 MOSFET 數據資料以達到最佳適配，從而簡化了熱插拔設計師的工作。這一系列中的最新型號 LTC4233 和 LTC4234 (圖 4) 是集成了 MOSFET 和電流檢測功能的 10A 和 20A 熱插拔控制器，供電范圍在 2.9V 至 15V，覆蓋了標準 3.3V、5V 和 12V 電源。通過集成兩個最關鍵和最大的熱插拔組件 (功率 MOSFET 和檢測電阻)，這些控制器有助縮短設計時間和減小電路板面積，為最終產品增加了更有價值的特性。
圖 4：LTC4234：20A 有保證的 SOA 熱插拔控制器
Guaranteed SOA：有保證的SOA
HOT SWAP：熱插拔
Power Good：電源良好
Current Monitor：電流監視器
Current Limit Timer：限流定時器
Current Limit Adjustment and Temperature Monitor：限流調整和溫度監視器
LTC4233 和 LTC4234 控制器特有的特性是產品手冊中保證了其內部 MOSFET SOA，而這在獨立 MOSFET 中是找不到的。每器件的 SOA 在 SOA 圖中的單點上經過了產品生產測試。圖 5 顯示了 LTC4234 的 SOA 圖。從輸入至輸出上應用 13.5V 電壓，輸出源出 6A 并持續 30ms，以對其 SOA 進行了測試。得出的功耗是 81W。這在 SOA 圖中以紅點表示。采用了同樣的電壓對 LTC4233 進行了測試，只是電流和功率減半 (即 3A 和 40.5W 并持續 30ms)。注意，LTC4233 和 LTC4234 SOA 圖顯示了有保證的最小 SOA，而 MOSFET 數據表顯示了典型值。
圖 5：LTC4234 熱插拔控制器有保證的安全工作區圖
SINGLE PULSE：單脈沖
GUARANTEED：有保證的
LTC4233 和 LTC4234 還輸出地參考信號，該信號與通過內部檢測電阻器上的負載電流成正比。可以采用外部模數轉換器 (圖 4) 來測量這一輸出，向系統管理人員提供電路板電流和功耗數據。通過一個外部電阻器從其默認值減小限流值，這樣，可以迅速調整以適應動態負載變化和各種應用。可選欠壓和過壓門限保護了下游負載不受超出有效窗口電壓的影響，從而防止了出現電路故障和損害。即使在不需要熱插入的地方，控制器也可以用于實現浪涌電流控制、限流和電路斷路器功能。這些控制器的典型應用包括在任務關鍵的服務器、網絡路由器和交換機、企業固態硬盤存儲和工業系統中空間受限的高密度電路板和卡等。
結論
除了熱插拔控制器本身，熱插拔電路還保護了電路板電源和 MOSFET 故障不會損壞 MOSFET 下游昂貴的處理電子器件。現場故障、暴露 MOSFET 弱點等可能會導致高昂的回收，從而對聲譽造成損害。因此，應確保選擇 MOSFET 能夠可靠處理熱插拔應用中遇到的壓力，這一點非常重要。LTC4233 和 LTC4234 集成了 MOSFET 熱插拔控制器，減小了解決方案占板面積，縮短了設計時間，對每一個控制器 SOA 進行了新產品測試，確保了實現堅固可靠的解決方案。