MOSFET 安全工作区对实现稳固热插拔应用的意义所在

 MOSFET 安全工作区对实现稳固热插拔应用的意义所在

凌力尔特公司 混合信号产品部 高级产品市场工程师 Pinkesh Sachdev

即使是在插入和拔出电路板和卡进行维修或者调整容量时,任务关键的伺服器和通信设备也必须能够不间断工作。热插拔控制器 IC 通过软启动电源,支持从正在工作的系统中插入或移除电路板,从而避免了出现连接火花、背板供电干扰和电路板卡复位等问题。控制器 IC 驱动与插入电路板之电源相串联的功率 MOSFET 开关 (图 1)。

电路板插入后,MOSFET 开关缓慢接通,这样,流入的浪涌电流对负载电容充电时能够保持在安全水平。

可插入电路板的热插拔控制器

图1:可插入电路板的热插拔控制器

CONNECTORS:连接器
BACKPLANE:背板
HOT SWAP CONTROLLER:热插拔控制器

当热插拔电路出现故障时,薄弱环节一般在 MOSFET 开关上,因而可能会损害或破坏热插拔控制器。MOSFET 出现故障常见的原因是在选件时没有重视其安全工作区 (SOA)。相反,选择 MOSFET 时主要考虑了电阻 (RDS(on)) 上漏-源极以及最大漏极电流 (ID(max))。或者,新设计基于负载电容较小的老款设计,同样的 MOSFET 能够很好的工作。大部分功率 MOSFET 针对低 RDS(on) 和快速开关进行了优化,很多电源系统设计师习惯面向这些特性来选择 MOSFET,而 MOSFET 在显着时间于高损耗开关状态下过渡,却在电路忽略了 SOA。在 MOSFET 制造商参数选择表中没有 SOA,它并不能帮助。即使是注意到 SOA,由于 SOA 数据通常是基于计算而不是测试数据,因此,应用的降额或余量并不明显。

MOSFET 安全工作区

SOA 是对 MOSFET 在脉冲和 DC 负载时功率处理能力的衡量。在 MOSFET 产品手册的图表中进行了阐述,如图 2 的实例所示。其 x 轴是 MOSFET 漏-源极电压 (VDS),而 y 轴是漏极电流 (ID);两个轴都使用了对数坐标。在这张图中,直线 (每一条代表不同的 tP) 表示恒定 MOSFET 功率。每条线代表了 MOSFET 在某一脉冲宽度 tP 时允许的功耗,tP 的范围在微秒至无穷大 (DC)。例如,图中显示了对于 10ms 脉冲,MOSFET 漏-源极上有 5V 电压,流过的电流为 50A,计算得到功耗是 250W。同样脉冲宽度下较低的功耗保证了安全 MOSFET 工作,图中标注为 10ms 线下面的区域,这就是 “安全工作区”。图的两端是由接通电阻、漏-源极击穿电压、和最大脉冲漏极电流决定。

PSMN3R4-30BLE N 沟道 MOSFET 的安全工作区

图 2:PSMN3R4-30BLE N 沟道 MOSFET 的安全工作区

为什么 SOA 对于热插拔应用非常重要?

电路中采用的大部分功率 MOSFET 都能够快速接通和关断,以纳秒的时间处于高损耗转换状态。在这类应用中,SOA 并不是主要问题。相反,SOA 对于热插拔电路是非常重要,提供了输入浪涌电流控制 (软启动)、限流和电路断路器功能。要理解这一点,请看热插入电路板的启动波形 (图 3a)。当电路板插入到 12V 背板电源时,热插拔控制器等待连接器接触反弹完成,随后软启动 MOSFET 栅极。然后,输出电压跟随并在 40ms 内达到 12V。在这一软启动期间,会有 200mA 的电容充电电流流过 MOSFET,而其漏-源极电压从 12V (= 12VIN − 0VOUT) 几乎降至 0V (= 12VIN − 12VOUT)。在负载上出现短路时 (图 3b),控制器将 MOSFET 上的电流限制在 6A,电压为12V (= 12VIN − 0VOUT)。这一 72W 功耗状态持续 1.2ms,直至电路断路器定时器计时结束。在启动浪涌和限流等状态中,需要热插拔 MOSFET 处理持续数百微秒至数十毫秒的显著功耗,应注意其 SOA 性能。

电路板热插入到 12V 背板电源时的软启动

图 3a. 电路板热插入到 12V 背板电源时的软启动

CONTACT BOUNCE:接触反弹

输出短路期间的限流

图 3b. 输出短路期间的限流

CONTACT BOUNCE:接触反弹
SINGLE PULSE:单脉冲
GUARANTEED:有保证的

集成 MOSFET 热插拔控制器以及有保证的 SOA

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