熱插拔保護電路設計及實(shí)例

　　圖4、啟動(dòng)過(guò)程中QGS的影響

　　這是因為在T0和T1之間傳輸電荷的增加小于電流限制，因此實(shí)際時(shí)間小于計算所需的時(shí)間。這個(gè)數值難以定量，它取決于控制器柵極電流以及MOSFET的柵極電荷和電容。在某些情況下，它可能占到整個(gè)充電電流的30％，因此在設計中需要對其加以考慮，尤其是使用大MOSFET及大電流的設計。

　　在利用具有較小柵極電荷的MOSFET的設計中，可假設柵極電壓的上升速度很快。這會(huì )導致從0 A到ITRIP的快速增加，從而引起不希望 的瞬變，在這種情況下，應使用軟啟動(dòng)。

　　軟啟動(dòng)

　　利用軟啟動(dòng)，浪涌電流在軟啟電容設定的期間可以從零線(xiàn)性增加到滿(mǎn)量程。通過(guò)逐步提高基準電流，能避免浪涌電流突然達到30 A的限制。需要注意的是，在軟啟過(guò)程中，電流處于調整過(guò)程中，因此，定時(shí)器從軟啟動(dòng)開(kāi)始之際就進(jìn)入工作狀態(tài)，如圖5所示。

　　圖5 軟啟動(dòng)對定時(shí)器的影響

　　因此，推薦將軟啟動(dòng)時(shí)間設定為不超過(guò)定時(shí)器總時(shí)間的10％~20％。例如，可以選擇100 μs的時(shí)間。軟啟電容可由下式確定：

　　其中 ISS = 10 μA and VSS = 1 V.

　　MOSFET與定時(shí)器的選擇

　　選擇合適的MOSFET的第一步為選定VDS 和ID標準。對于12 V系統來(lái)說(shuō)，VDS應為30 V或40 V，以處理可能損壞MOSFET的瞬變。MOSFET的 ID應遠大于所需的最大值（參考圖3的SOA圖）。在大電流應用中，最重要的指標之一為MOSFET的導通電阻RDSON。較小的RDSON能確保MOSFET在正常工作時(shí)具有最小功耗，并在滿(mǎn)負載條件下產(chǎn)生最少的熱量。

　　對熱量及功耗的考慮

　　因為必須要避免過(guò)熱，因此，在考慮SOA指標與定時(shí)器選擇之前，應該先考慮MOSFET在直流負載條件下的功耗。隨著(zhù)MOSFET溫度的升高，額定功率將會(huì )減小或降額。此外，在高溫下工作時(shí)，MOSFET的使用壽命會(huì )縮短。

　　前面提及熱插拔控制器將在92 mV的最小檢測電壓下開(kāi)啟定時(shí)器。為了進(jìn)行計算，我們需要知道不會(huì )觸發(fā)定時(shí)器的最大允許直流電流。假設最壞條件下的VREGMIN 為97 mV，那么，

　　假設 MOSFET‘s 最大 RDSON is 2 mΩ，則功率為

　　數據手冊中會(huì )給出MOSFET在常溫下的熱電阻。封裝尺寸及附加的銅引線(xiàn)會(huì )對其具有一定影響。假設

　　由于 MOSFET需要消耗2.1W的功率，最壞條件下，溫度可能將上升到高于室溫126°C：

　　降低這個(gè)數值的一種方法是并聯(lián)使用兩個(gè)或更多的MOSFET，這樣能有效降低RDSON，從而降低MOSFET的功耗。使用兩個(gè)MOSFET時(shí)，假設電流在器件間均勻匹配（允許一定的容差），那么每個(gè)MOSFET的溫度升高最大值為32°C。下式給出了每個(gè)MOSFET的功耗：

　　假設室溫TA = 30°C，再加上這個(gè)溫度上升值，那么每個(gè)MOSFET的最大溫度為62°C。

　　MOSFET SOA考慮

　　下一步需要檢查SOA圖，以選擇合適的能工作在最壞條件的MOSFET。在短路到地的最壞條件下，可假設VDS等于 VMAX，為 13.2V，這是將MOSFET源極拉到地時(shí)MOSFET上能產(chǎn)生的最大電壓。在調節階段，最壞條件將取決于數據手冊中熱插拔控制器調節點(diǎn)的最大值，這個(gè)值為103 mV。于是，電流可根據下式進(jìn)行計算：

　　在與MOSFET SOA圖進(jìn)行比較之前，我們需要考慮MOSFET的溫度降額，因為SOA是以室溫（TC = 25°C）下的數據為基礎的。首先計算TC = 25°C下的功耗：

　　其中 RthJC 可由MOSFET數據手冊得到。

　　現在對TC = 62°C進(jìn)行同樣的計算：

　　因此，1.42的降額因數可通過(guò)如下計算得到：

　　這需要被應用于圖3的MOSFET SOA圖中。為了反映出調節過(guò)的額定功率，需要把表示施加最大功率的時(shí)間值的對角線(xiàn)向下平移。我們先使用1 ms線(xiàn)來(lái)舉例說(shuō)明這條曲線(xiàn)的原理。例如，在這條線(xiàn)上取一點(diǎn)，如（20 A、40 V），這點(diǎn)的功率為800 W，應用降額公式：

　　在40 V，降額后的功率所對應的電流為14 A，在SOA圖上這點(diǎn)將確定新的62°C降額后的1 ms線(xiàn)。使用同樣的辦法可確定新的10 ms以及100 μs線(xiàn)。新線(xiàn)在圖6中以紅色示出。

　　圖6、包含62°C降額后功率限制的SOA圖

　　選擇定時(shí)器電容

　　SOA中新的降額線(xiàn)可用于重新計算定時(shí)器的參數值。沿IMAX ≈ 35A 畫(huà)一條水平線(xiàn)，沿VMAX = 13.2 V畫(huà)一條垂直線(xiàn)（淡藍色的線(xiàn)），并確定它們與紅色線(xiàn)的交叉點(diǎn)。這些交叉點(diǎn)示出1 ms與10 ms之間的某個(gè)時(shí)間，也許是2 ms。在對數坐標圖的小范圍內，一般很難獲取準確的數值，因此要進(jìn)行慎重的選擇，要考慮到這些選擇對性能以及價(jià)格等其它標準的影響，確保留有足夠的容差。

　　前 面提到對負載進(jìn)行充電的時(shí)間約為850 μs。由于軟啟動(dòng)時(shí)間是由線(xiàn)性斜坡決定的，與階躍變化相比，要花費更長(cháng)的時(shí)間來(lái)對負載電容充電。為了估算總的電荷量，如果使用軟啟動(dòng)，假設需要在計算時(shí)間的基礎上加上軟啟動(dòng)時(shí)間的一半，于是，在850 μs上加軟啟動(dòng)時(shí)間的一半（50 μs），得到總時(shí)間約為900 μs。如果所選的MOSFET具有較大的柵極電荷（比如≥80 nC），如前所述，這個(gè)時(shí)間需要進(jìn)一步縮小。如果對負載充電的時(shí)間小于最大SOA時(shí)間，MOSFET就是合適的。在這個(gè)例子中，MOSFET符合標準 （0.9 ms《2 ms）。

　　小于2 ms的定時(shí)器值足以保護MOSFET，大于0.9 ms則足夠對負載充電。如果選擇的時(shí)間恒定為1 ms，那么電容可通過(guò)下式進(jìn)行計算：

　　其中 ITIMER = 60 μA 和 VTIMER = 1.3 V，

　　使用并聯(lián)MOSFET時(shí)，對定時(shí)器的計算不會(huì )變。重要的是應使用單個(gè)MOSFET設計定時(shí)器及短路保護，原因是在一組MOSFET中，VGSTH會(huì )有顯著(zhù)差異，因此在調整過(guò)程中，需要使用單個(gè)MOSFET處理較大的電流。

　　完成熱插拔設計

　　圖7所示的是具有正確參數值的并聯(lián)MOSFET熱插拔設計。ADM1177熱插拔控制器還能執行其它功能。它集成了片上ADC，可用于將電源電壓和負載電流轉換為數字數據，以通過(guò)I2C總線(xiàn)讀出，提供全集成的電流及電壓檢測功能。

　　圖7、完整的參考設計