熱插拔可靠性的新標準

　　大多數熱插拔系統都有一些內在的故障機理，一個(gè)是功率FET 的安全工作區(SOA)問(wèn)題，另一個(gè)是在電流流過(guò)時(shí)拔出器件承受感應尖峰(inductive spike)的能力問(wèn)題。本文介紹不采用高額定值的功率器件和短路引腳，而通過(guò)使用一個(gè)集成的熱插拔器件來(lái)解決這兩個(gè)問(wèn)題。

　　典型的熱插拔控制器采用稱(chēng)為斷路器(circuit breaker)的方案來(lái)保護電路及其FET。該方法使用雙電平限流使器件能在浪涌電流下工作，并在發(fā)生短路時(shí)仍可快速關(guān)斷。在這類(lèi)電路中，FET 處于開(kāi)或關(guān)狀態(tài)。這是一種行之有效的保護連接電路和功率FET 的方法，但是需要電路設計工程師推測來(lái)確定過(guò)流情況發(fā)生時(shí)間的長(cháng)短。這種方法也比其它方法更可能引起跳閘。由于與保護FET 相關(guān)的不確定性，這種方法一般會(huì )使功率器件的尺寸過(guò)大。

　　一個(gè)替代的方法是在浪涌發(fā)生時(shí)將FET 用作線(xiàn)性限流器件，其優(yōu)點(diǎn)在于可以保護連接電路并更能承受浪涌，缺點(diǎn)則是必須小心謹慎，以避免超出FET 的安全工作區。由于限流過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量功耗，所以很容易超過(guò)SOA 限制。功率MOSFET 的安全工作區一般由規定了器件可以承受特定時(shí)間的最大允許電壓和電流組合的圖表表示。

　　使用單片控制器和FET 可以直接檢測FET 裸片區域的溫度。裸片溫度是防止FET 出現各種熱過(guò)應力(overstress)的一個(gè)變量。單個(gè)控制器和FET 不能檢測裸片溫度，而必須考慮漏極到源極的電壓范圍、大概的漏極電流以及脈沖持續時(shí)間和FET 熱路徑的范圍以防止功率器件熱過(guò)應力。這種解決方案可以保護FET，但是由于變量過(guò)多而且不了解個(gè)別精確信息，因此需要比實(shí)際所需的更大的FET。

圖1：?jiǎn)纹瑹岵灏纹骷穆闫季?/P>

　　該器件使用諸如NIS5101 的混合解決方案，可以承受任何電壓和電流(不超過(guò)最大器件電壓額定值)且仍處于其SOA 范圍之內。圖1 顯示該器件的典型裸片布局。數個(gè)正向偏壓二極管用作溫度檢測器件，這些二極管具有負溫度特性。測量正向壓降并與參考電壓相比較，以確定器件是否已達到其135℃的最高溫度。

　　該電路需要幾微秒來(lái)對故障產(chǎn)生響應。該器件的封裝為D2PAK，其熱時(shí)間常數約為200ms。時(shí)間延遲使最高溫度最多僅可超過(guò)跳閘點(diǎn)幾度，這取決于器件的功耗。在跳閘點(diǎn)和裸片最大額定值之間有40 度的容限，所以不會(huì )存在損壞裸片的危險。選擇135℃的最高溫度，以保持引腳溫度為105℃或更低，從而確保故障時(shí)間延長(cháng)時(shí)，電路板不會(huì )遭受熱損壞。該電路可以以遲滯模式來(lái)限制溫度-不固定地在135℃和95℃之間進(jìn)行轉換(自動(dòng)重試模式)， 或者在達到135℃極限時(shí)可以閉鎖。

　　我們使器件短路20 秒并去除負載15 秒，對40 個(gè)樣品進(jìn)行測試。10,000 個(gè)短路周期之后，并未發(fā)生故障。因為電路使用了自動(dòng)重試器件且提供給FET 的功率約為250 瓦，電路熱量在20 秒短路中循環(huán)多次。這就在測試器件中總共進(jìn)行了8 億次熱循環(huán)。

　　許多熱插拔解決方案因功率FET 電壓的上升或下降時(shí)間緩慢而發(fā)生故障。在這一階段產(chǎn)生大量的功耗，所以在許多設計中很可能超過(guò)功率FET 的SOA。由于SMART HotPlug(智能熱插拔)器件中使用熱保護方案，FET 不會(huì )因打開(kāi)或閉合時(shí)的緩慢變化而損壞。在最糟糕的情況下，器件只要達到其熱極限就會(huì )關(guān)斷。

圖2：熱保護電路工作過(guò)程

　　圖2 顯示了當負載電容(4,200uF)充電時(shí)，電流達到其限制電平并保持恒定。8ms 之后，FET 裸片達到其最高溫度且器件關(guān)斷。10ms 之后，裸片溫度下降到95℃且器件重新工作。這將持續4 個(gè)周期，直至電容完全充電。請注意每個(gè)導電周期逐步延長(cháng)，這是因為FET 中的功率下降。電流保持不變，但是漏極到源極的電壓下降，因此功率下降。

　　當器件從系統中拔出，而電流正通過(guò)該器件時(shí)，將產(chǎn)生另一種故障模式。當電源轉換器發(fā)生短路且將其拔去時(shí)，會(huì )發(fā)生這種情況，拔去器件會(huì )因為系統電感中存儲的電能可產(chǎn)生很大的應力?，F在一些熱插拔控制器使用帶外部電阻的并聯(lián)穩壓器保護芯片，但這種解決方案因為需要外部功率電阻，增加了系統成本。其它系統使用短路引腳，這也增加了系統的復雜度。

　　采用分立半導體工藝來(lái)設計熱插拔器件，由于其幾何尺寸較大，因而提供了更為堅固的解決方案，這個(gè)單片器件可以承受更高的能量，因為它建立在較大的幾何尺寸的半導體工藝上，而不是較小尺寸的模擬工藝，而且功率器件吸收了大部分感應能量。

　　SMART HotPlug 器件針對為非鉗位感應尖峰(UIS)進(jìn)行了測試和評估。NIS5101 可以承受感應電能，因為系統電感處于100uH 至10mH 之間，電感的大小取決于拔出時(shí)的電流大小。

本文小結

　　單片功率器件極為穩健，而且可以解決諸多與模擬控制器/功率FET 解決方案相關(guān)的可靠性問(wèn)題，包括能夠承受電感尖峰、緩慢打開(kāi)和閉合轉換以及內在保護SOA 參數的能力。