熱插拔的定義是在帶電運(yùn)行的背板中插入或移除電路板。熱插拔技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到電信服務(wù)器、USB接口、火線(firewire)和CompactPCI中。這種技術(shù)可在維持系統(tǒng)背板的電壓下，更換發(fā)生故障的電路板，并保證系統(tǒng)中其他正常的電路板仍可保持運(yùn)作。在工作中的背板上進(jìn)行熱插拔時(shí)，最大的風(fēng)險(xiǎn)在于電路板上的電容器會(huì)給電源造成一個(gè)低阻抗路徑，從而引發(fā)大的浪涌電流。浪涌電流可以損毀電路板上的電容、導(dǎo)線和連接器。此外，系統(tǒng)電壓亦可能會(huì)因浪涌電流而下降到系統(tǒng)重置閾值以下，使得其他連接著背板的電路板也無故重置。
熱插拔控制器通過控制一個(gè)外加FET(見圖1)來限制浪涌電流。此外，這個(gè)控制器可在輸出短路到接地或發(fā)生大型負(fù)載瞬變的情況下對(duì)電流做出限制。設(shè)計(jì)人員在FET時(shí)，通常都認(rèn)為只要該FET能抵受DC電流負(fù)載和最大輸入電壓便足夠?？墒?，如果控制器發(fā)生故障并且該控制器又是唯一可控制電流的器件，那這類控制器在任何的操作條件下都不能確保FET處于安全運(yùn)作范圍(SOA)內(nèi)。本文將比較兩類控制器，一類只具備有電流限制的控制能力，而另一類是可同時(shí)擁有功率和電流限制的控制能力熱插拔控制器，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM5069。
圖1 LM5069熱插拔控制器
控制器
圖1所示為L(zhǎng)M5069熱插拔控制器。當(dāng)浪涌電流流經(jīng)傳感電阻器(Rsns)時(shí)會(huì)被感測(cè)到，而控制器只會(huì)容許一個(gè)預(yù)定的最大電壓通過Rsns。假如電壓增加并超過這個(gè)最大電壓值時(shí)，控制器便會(huì)調(diào)整柵極電壓，使其維持最大值電流一定的時(shí)間。電流限制所容許的最長(zhǎng)時(shí)間取決于故障檢測(cè)電流、故障閾值和外加電容器，并且通過計(jì)時(shí)器(TIMER)引腳來編程。一旦TIMER到達(dá)故障的閾值，控制器便會(huì)關(guān)閉柵極，同時(shí)輸出會(huì)脫離系統(tǒng)的輸入電壓。系統(tǒng)欠壓和過壓會(huì)分別經(jīng)由UVLO和OVLO引腳上的電阻分壓器而檢測(cè)。這個(gè)組件可驗(yàn)證輸入電壓是處于指定范圍，還是高出欠壓閾值或低于過壓閾值。假如輸入電壓在指定范圍以外，那柵極便會(huì)關(guān)閉。
電源正常引腳(PGD)是一個(gè)開放漏極輸出。當(dāng)輸出(VOUT)還有幾伏便到達(dá)輸入(VIN)時(shí)，開放漏極下拉器件便會(huì)被關(guān)閉，而PGD會(huì)上拉到VOUT電軌。PGD輸出可以用來標(biāo)簽下游電路以表示VOUT電壓“正常”。PWR引腳上的電阻會(huì)決定通過FET的最大功率極限。下文中我們還會(huì)詳細(xì)討論這個(gè)功能。
圖2所示為一個(gè)只可限制電流的熱插拔控制器，除了過壓和功率限制功能以外，它具備所有LM5069的功能。
圖2 只有電流限制的熱插拔控制器
MOSFET安全運(yùn)行范圍（SOA）
在熱插拔或短路故障期間控制電流時(shí)，外置MOSFET必須保持在SOA范圍內(nèi)以防止FET發(fā)生故障。圖3所示為Vishay的SUM40N15-38 場(chǎng)效應(yīng)管的SOA曲線。從圖中可見，它的最大漏源極電壓VDS為110V，而在低VDS時(shí)，電流會(huì)被FET的RDS(on)所限制。圖中所見隨時(shí)間量度出來的曲線便是FET的最大能量極限。
在SOA曲線上可以畫出一條直線(圖3中的紅線)來表示只有電流限制的控制器。在正常運(yùn)作時(shí)(即VDS低)，電流會(huì)被限制到最大5A，而FET亦會(huì)在SOA范圍以內(nèi)?？墒?，當(dāng)VDS較大時(shí)，控制器的限制仍停留在相同的電流極限，而根據(jù)編程故障時(shí)間的長(zhǎng)短，F(xiàn)ET有可能走出SOA范圍以外。例如，假如系統(tǒng)的背板電壓是50V，電流限制設(shè)置成5A和編程故障時(shí)間為40ms時(shí)，輸出短路便可能導(dǎo)致FET的運(yùn)作脫離SOA范圍(圖3中的紅線)。
圖3 SUM40N15-38的SOA曲線
圖4中的藍(lán)色曲線表示同時(shí)具有電流和功率限制功能的LM5069。其編程電流限制被設(shè)置成5A，而功率限制則被設(shè)置成50W，至于故障時(shí)間再一次被編程到40ms?，F(xiàn)在，當(dāng)50V的輸出發(fā)生短路時(shí)，組件將不會(huì)再在電流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50V×1A=50W)。這時(shí)，F(xiàn)ET將仍然在10ms的SOA曲線下面，防止FET發(fā)生故障(圖3中的藍(lán)色虛線)。同樣地，當(dāng)一個(gè)熱插拔發(fā)生在50V輸出時(shí)，功率限制模式將會(huì)把FET維持在SOA范圍以內(nèi)(圖3中的藍(lán)色虛線)。當(dāng)VDS<10V時(shí)，組件將會(huì)進(jìn)入電流限制模式，并全程為輸出提供所需的電流負(fù)載，以將FET保持在SOA以內(nèi)。LM5069的功率限制功能只會(huì)當(dāng)通過FET的功率意圖超越50W的編程限制時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，否則它只通過電流限制功能來控制FET。
圖4 電流和功率限制控制和安全運(yùn)作范圍
試驗(yàn)數(shù)據(jù)
在實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)為L(zhǎng)M5069和電流限制控制器準(zhǔn)備應(yīng)用電路板。兩個(gè)組件都同樣具備50V的輸入、5A的電流限制和40ms的故障時(shí)間。不過，LM5069則多了一個(gè)50W的功率限制功能。兩個(gè)應(yīng)用電路板最后都通過一個(gè)負(fù)載電阻器將輸出設(shè)成短路，從而增加VDS。
圖5所示為電流限制控制器件的波形。輸出負(fù)載將VDS增加到30V。起初，電流被限制在5A，但經(jīng)過10ms后，F(xiàn)ET出現(xiàn)故障并且輸入電壓到輸出電壓發(fā)生短路。輸入電壓阻止并限制電流達(dá)到電源的電流極限。即使計(jì)時(shí)器到達(dá)40ms的時(shí)限，都不能關(guān)閉柵極，因?yàn)镕ET已遭損毀。查看SOA曲線，會(huì)發(fā)現(xiàn)FET在VDS=50V和IDS=5A時(shí)只能忍耐一個(gè)10ms脈沖的時(shí)間。一旦FET因電流限制控制器而超過10ms時(shí)，那FET便會(huì)發(fā)生故障(圖8中的紅色虛線)。
圖5 電流限制控制器的波形
正如圖6所示，輸出負(fù)載將VDS增加到45V，同時(shí)LM5069將流通FET的功率限制在50W。一旦計(jì)時(shí)器到達(dá)故障閾值，那組件便會(huì)關(guān)閉FET。在這個(gè)短路的情況下，LM5069能夠有效的在SOA曲線的范圍內(nèi)控制FET(圖8的藍(lán)色虛線)。
圖6 LM5069 的波形
圖7 LM5069 的純電流限制
為了展示LM5069的多功能性，圖7表示出一個(gè)純電流限制的情況。在這個(gè)情況下，輸出負(fù)載導(dǎo)致電流增加，但幅度不太大,故不足使VDS增加。LM5069以電流限制的模式運(yùn)作，并把電流限制在5A。當(dāng)過了40ms的編程故障時(shí)間后，F(xiàn)ET便會(huì)被關(guān)閉。同樣，LM5069將FET控制在SOA范圍以內(nèi)(圖8中的綠色虛線)。
圖8 Vishay SUM40N15-38 SOA
結(jié)論
具有電流限制能力的熱插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出現(xiàn)災(zāi)難性故障。為了防止FET超出SOA范圍，用戶需要選用比較大型的FET和散熱器以獲得可靠的故障保護(hù)。LM5069將具有編程能力的功率和電流限制能力結(jié)合在一起，所以無須使用大型的外置FE也能把FET維持在SOA的安全范圍內(nèi)。