不一樣的熱插拔控制器(圖)

熱插拔的定義是在帶電運行的背板中插入或移除電路板。熱插拔技術(shù)已被廣泛應用到電信服務(wù)器、USB接口、火線(xiàn)(firewire)和CompactPCI中。這種技術(shù)可在維持系統背板的電壓下，更換發(fā)生故障的電路板，并保證系統中其他正常的電路板仍可保持運作。在工作中的背板上進(jìn)行熱插拔時(shí)，最大的風(fēng)險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、導線(xiàn)和連接器。此外，系統電壓亦可能會(huì )因浪涌電流而下降到系統重置閾值以下，使得其他連接著(zhù)背板的電路板也無(wú)故重置。

熱插拔控制器通過(guò)控制一個(gè)外加FET(見(jiàn)圖1)來(lái)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)生大型負載瞬變的情況下對電流做出限制。設計人員在FET時(shí)，通常都認為只要該FET能抵受DC電流負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(lèi)控制器在任何的操作條件下都不能確保FET處于安全運作范圍(SOA)內。本文將比較兩類(lèi)控制器，一類(lèi)只具備有電流限制的控制能力，而另一類(lèi)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，如美國國家半導體的LM5069。

圖1 LM5069熱插拔控制器

控制器

圖1所示為L(cháng)M5069熱插拔控制器。當浪涌電流流經(jīng)傳感電阻器(Rsns)時(shí)會(huì )被感測到，而控制器只會(huì )容許一個(gè)預定的最大電壓通過(guò)Rsns。假如電壓增加并超過(guò)這個(gè)最大電壓值時(shí)，控制器便會(huì )調整柵極電壓，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(cháng)時(shí)間取決于故障檢測電流、故障閾值和外加電容器，并且通過(guò)計時(shí)器(TIMER)引腳來(lái)編程。一旦TIMER到達故障的閾值，控制器便會(huì )關(guān)閉柵極，同時(shí)輸出會(huì )脫離系統的輸入電壓。系統欠壓和過(guò)壓會(huì )分別經(jīng)由UVLO和OVLO引腳上的電阻分壓器而檢測。這個(gè)組件可驗證輸入電壓是處于指定范圍，還是高出欠壓閾值或低于過(guò)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(kāi)放漏極輸出。當輸出(VOUT)還有幾伏便到達輸入(VIN)時(shí)，開(kāi)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(lái)標簽下游電路以表示VOUT電壓“正?！?。PWR引腳上的電阻會(huì )決定通過(guò)FET的最大功率極限。下文中我們還會(huì )詳細討論這個(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(guò)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范圍內以防止FET發(fā)生故障。圖3所示為Vishay的SUM40N15-38 場(chǎng)效應管的SOA曲線(xiàn)。從圖中可見(jiàn)，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(jiàn)隨時(shí)間量度出來(lái)的曲線(xiàn)便是FET的最大能量極限。

在SOA曲線(xiàn)上可以畫(huà)出一條直線(xiàn)(圖3中的紅線(xiàn))來(lái)表示只有電流限制的控制器。在正常運作時(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?xún)??？墒?，當VDS較大時(shí)，控制器的限制仍停留在相同的電流極限，而根據編程故障時(shí)間的長(cháng)短，FET有可能走出SOA范圍以外。例如，假如系統的背板電壓是50V，電流限制設置成5A和編程故障時(shí)間為40ms時(shí)，輸出短路便可能導致FET的運作脫離SOA范圍(圖3中的紅線(xiàn))。

圖3 SUM40N15-38的SOA曲線(xiàn)

圖4中的藍色曲線(xiàn)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置成5A，而功率限制則被設置成50W，至于故障時(shí)間再一次被編程到40ms?，F在，當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(50V1A=50W)。這時(shí)，FET將仍然在10ms的SOA曲線(xiàn)下面，防止FET發(fā)生故障(圖3中的藍色虛線(xiàn))。同樣地，當一個(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?xún)?圖3中的藍色虛線(xiàn))。當VDS10V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載，以將FET保持在SOA以?xún)?。LM5069的功率限制功能只會(huì )當通過(guò)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(guò)電流限制功能來(lái)控制FET。

圖4 電流和功率限制控制和安全運作范圍

試驗數據

在實(shí)驗中，同時(shí)為L(cháng)M5069和電流限制控制器準備應用電路板。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(guò)，LM5069則多了一個(gè)50W的功率限制功能。兩個(gè)應用電路板最后都通過(guò)一個(gè)負載電阻器將輸出設成短路，從而增加VDS。

圖5所示為電流限制控制器件的波形。輸出負載將VDS增加到30V。起初，電流被限制在5A，但經(jīng)過(guò)10ms后，FET出現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到電源的電流極限。即使計時(shí)器到達40ms的時(shí)限，都不能關(guān)閉柵極，因為FET已遭損毀。查看SOA曲線(xiàn)，會(huì )發(fā)現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(guò)10ms時(shí)，那FET便會(huì )發(fā)生故障(圖8中的紅色虛線(xiàn))。

圖5 電流限制控制器的波形

正如圖6所示，輸出負載將VDS增加到45V，同時(shí)LM5069將流通FET的功率限制在50W。一旦計時(shí)器到達故障閾值，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(xiàn)的范圍內控制FET(圖8的藍色虛線(xiàn))。

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，輸出負載導致電流增加，但幅度不太大,故不足使VDS增加。LM5069以電流限制的模式運作，并把電流限制在5A。當過(guò)了40ms的編程故障時(shí)間后，FET便會(huì )被關(guān)閉。同樣，LM5069將FET控制在SOA范圍以?xún)?圖8中的綠色虛線(xiàn))。

圖8Vishay SUM40N15-38 SOA

結論

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出現災難性故障。為了防止FET超出SOA范圍，用戶(hù)需要選用比較大型的FET和散熱器以獲得可靠的故障保護。LM5069將具有編程能力的功率和電流限制能力結合在一起，所以無(wú)須使用大型的外置FE也能把FET維持在SOA的安全范圍內。