MOSFET 安全工作区对实现稳固热插拔应用的意义所在

引言

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。

图1：可插入电路板的热插拔控制器

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 (R_DS(on)) 上漏-源极以及最大漏极电流 (I_D(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 R_DS(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 (V_DS)，而 y 轴是漏极电流 (I_D);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 t_P) 表示恒定 MOSFET 功率。每条线代表了 MOSFET 在某一脉冲宽度 t_P 时允许的功耗，t_P 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。

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 (= 12V_IN − 0V_OUT) 几乎降至 0V (= 12V_IN − 12V_OUT)。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 (= 12V_IN − 0V_OUT)。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。

图 3a. 电路板热插入到 12V 背板电源时的软启动

图 3b. 输出短路期间的限流

集成 MOSFET 热插拔控制器以及有保证的 SOA

凌力尔特公司提供了集成 MOSFET 的热插拔控制器系列，设计师不需要花费时间来搜寻 MOSFET 数据资料以达到最佳适配，从而简化了热插拔设计师的工作。这一系列中的最新型号 LTC4233 和 LTC4234 (图 4) 是集成了 MOSFET 和电流检测功能的 10A 和 20A 热插拔控制器，供电范围在 2.9V 至 15V，覆盖了标准 3.3V、5V 和 12V 电源。通过集成两个最关键和最大的热插拔组件 (功率 MOSFET 和检测电阻)，这些控制器有助缩短设计时间和减小电路板面积，为最终产品增加了更有价值的特性。

图 4：LTC4234：20A 有保证的 SOA 热插拔控制器

LTC4233 和 LTC4234 控制器特有的特性是产品手册中保证了其内部 MOSFET SOA，而这在独立 MOSFET 中是找不到的。每器件的 SOA 在 SOA 图中的单点上经过了产品生产测试。图 5 显示了 LTC4234 的 SOA 图。从输入至输出上应用 13.5V 电压，输出源出 6A 并持续 30ms，以对其 SOA 进行了测试。得出的功耗是 81W。这在 SOA 图中以红点表示。采用了同样的电压对 LTC4233 进行了测试，只是电流和功率减半 (即 3A 和 40.5W 并持续 30ms)。注意，LTC4233 和 LTC4234 SOA 图显示了有保证的最小 SOA，而 MOSFET 数据表显示了典型值。

图 5：LTC4234 热插拔控制器有保证的安全工作区图

LTC4233 和 LTC4234 还输出地参考信号，该信号与通过内部检测电阻器上的负载电流成正比。可以采用外部模数转换器 (图 4) 来测量这一输出，向系统管理人员提供电路板电流和功耗数据。通过一个外部电阻器从其默认值减小限流值，这样，可以迅速调整以适应动态负载变化和各种应用。可选欠压和过压门限保护了下游负载不受超出有效窗口电压的影响，从而防止了出现电路故障和损害。即使在不需要热插入的地方，控制器也可以用于实现浪涌电流控制、限流和电路断路器功能。这些控制器的典型应用包括在任务关键的服务器、网络路由器和交换机、企业固态硬盘存储和工业系统中空间受限的高密度电路板和卡等。

结论

除了热插拔控制器本身，热插拔电路还保护了电路板电源和 MOSFET 故障不会损坏 MOSFET 下游昂贵的处理电子器件。现场故障、暴露 MOSFET 弱点等可能会导致高昂的回收，从而对声誉造成损害。因此，应确保选择 MOSFET 能够可靠处理热插拔应用中遇到的压力，这一点非常重要。LTC4233 和 LTC4234 集成了 MOSFET 热插拔控制器，减小了解决方案占板面积，缩短了设计时间，对每一个控制器 SOA 进行了新产品测试，确保了实现坚固可靠的解决方案。