熱插拔電路的過(guò)熱保護新方法

針對熱插拔電路所實(shí)行的過(guò)熱保護方案，本文將討論一種超越目前在分離式熱插拔電路中采用斷路器和NTC熱敏電阻的全新解決方案，提供最可靠的過(guò)熱保護，并比較它和傳統方法在性能上的優(yōu)勢。

在分布式電源系統、高可用性服務(wù)器、磁盤(pán)陣列以及帶電插卡等應用上需要采用熱插拔保護電路。這些電路提供限制浪涌電流并防止短路的功能，以消除在將卡插入底板時(shí)因總線(xiàn)故障、過(guò)載或短路而造成停止工作的損失。沒(méi)有可靠的熱插拔電路，像電信服務(wù)器這種高可用性服務(wù)器將不能工作。

熱插拔保護電路需要結合控制電路和電源組件。將這些功能集成在一塊單芯片電路上，可以節省成本并增加諸如電流限制以及過(guò)熱保護等分離器件方案所不可能具備的重要功能。

斷路器解決方案

采用斷路器為分離式熱插拔電路提供過(guò)熱保護，是一種常用的方案。分離式熱插拔電路通常由一顆控制器、一顆單獨的功率FET、一顆功率感應電阻以及一些零散的偏壓器件構成。圖1為一個(gè)采用斷路器來(lái)提供過(guò)熱保護的典型分離式熱插拔電路的電路圖。這種熱插拔電路很復雜，其實(shí)現成本很高，并有一些固有的問(wèn)題。

圖1：采用斷路器提供過(guò)熱保護的典型離 散過(guò)熱保護電路。

非集成熱插拔電路的一個(gè)主要問(wèn)題就是在短路和過(guò)載情況下的過(guò)熱保護問(wèn)題。當發(fā)生短路時(shí)，該熱插拔電路必須承受不能超過(guò)功率FET的節溫。采用斷路器的做法這一點(diǎn)很難達到，因為功率FET的結溫是估計而不是測量得到的。

圖1所示的電路中，斷路器結合了限流的功能。它采用線(xiàn)性工作模式對FET進(jìn)行偏置，使電流在一定的周期或時(shí)間內保持不變。也就是說(shuō)，斷路器只有在500μs限流被啟動(dòng)后才動(dòng)作。每當感應電阻的壓降大于500mV時(shí)，限流就被啟動(dòng)。因此，功率FET的電流被限制在500mV/R_sense。

如果我們采用一個(gè)32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一個(gè)5mΩ的感應電阻，在短路時(shí)FET的電流將被限制在10A，超過(guò)500μs斷路器就會(huì )關(guān)閉FET。圖2顯示-48V應用中的短路波形。

在該功率FET初始溫度為85℃的情況下，如果采用圖2中的電流和電壓，該FET在短路時(shí)的結溫可以用公式1來(lái)計算：

這里T_j為結溫，T_C為外殼溫度，P_D為FET功率消耗，R_θJC(t)

圖2：斷路器短路波形。

計算出的結溫非常接近功率FET(NTB52N10T4)的額定溫度上限T_j(150℃)，如果外殼溫度發(fā)生一個(gè)很小的變化，很容易便超過(guò)了它。

這正是為什么斷路器解決方案通常需要進(jìn)行過(guò)設計(over-designed)的主要原因。這對于在短路時(shí)使用較大的FET或并行的FET配置來(lái)避免過(guò)熱很重要，這會(huì )大大增加熱插拔電路整體的系統成本。此外，周?chē)鷾囟群蜌饬鳠o(wú)法控制得很好，以及在短時(shí)間內存在多個(gè)瞬時(shí)脈沖的應用，也很難準確估計功率FET的結溫。

NTC熱敏電阻解決方案

一些提供商建議采用熱敏電阻作為給熱插拔電路提供過(guò)熱保護的另一種方案。熱敏電阻是一種電阻隨其自身溫度的變化而變化的電子器件，這些器件不是具有正電阻溫度系數(PTC器件)，就是具有負電阻溫度系數(NTC器件)。