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大多數熱插拔系統都有一些內在的故障機理，一個是功率FET 的安全工作區(SOA)問題，另一個是在電流流過時拔出器件承受感應尖峰(inductive spike)的能力問題。本文介紹不采用高額定值的功率器件和短路引腳，而通過使用一個集成的熱插拔器件來解決這兩個問題。 典型的熱插拔控制器采用稱為斷路器(circuit breaker)的方案來保護電路及其FET。該方法使用雙電平限流使器件能在浪涌電流下工作，并在發生短路時仍可快速關斷。在這類電路中，FET 處于開或關狀態。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確定過流情況發生時間的長短。這種方法也比其它方法更可能引起跳閘。由于與保護FET 相關的不確定性，這種方法一般會使功率器件的尺寸過大。 一個替代的方法是在浪涌發生時將FET 用作線性限流器件，其優點在于可以保護連接電路并更能承受浪涌，缺點則是必須小心謹慎，以避免超出FET 的安全工作區。由于限流過程中會產生大量功耗，所以很容易超過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 出現各種熱過應力(overstress)的一個變量。單個控制器和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間和FET 熱路徑的范圍以防止功率器件熱過應力。這種解決方案可以保護FET，但是由于變量過多而且不了解個別精確信息，因此需要比實際所需的更大的FET。 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對故障產生響應。該器件的封裝為D2PAK，其熱時間常數約為200ms。時間延遲使最高溫度最多僅可超過跳閘點幾度，這取決于器件的功耗。在跳閘點和裸片最大額定值之間有40 度的容限，所以不會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，從而確保故障時間延長時，電路板不會遭受熱損壞。該電路可以以遲滯模式來限制溫度-不固定地在135℃和95℃之間進行轉換(自動重試模式)， 或者在達到135℃極限時可以閉鎖。 我們使器件短路20 秒并去除負載15 秒，對40 個樣品進行測試。10,000 個短路周期之后，并未發生故障。因為電路使用了自動重試器件且提供給FET 的功率約為250 瓦，電路熱量在20 秒短路中循環多次。這就在測試器件中總共進行了8 億次熱循環。 許多熱插拔解決方案因功率FET 電壓的上升或下降時間緩慢而發生故障。在這一階段產生大量的功耗，所以在許多設計中很可能超過功率FET 的SOA。由于SMART HotPlug(智能熱插拔)器件中使用熱保護方案，FET 不會因打開或閉合時的緩慢變化而損壞。在最糟糕的情況下，器件只要達到其熱極限就會關斷。 圖2 顯示了當負載電容(4,200uF)充電時，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 個周期，直至電容完全充電。請注意每個導電周期逐步延長，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，而電流正通過該器件時，將產生另一種故障模式。當電源轉換器發生短路且將其拔去時，會發生這種情況，拔去器件會因為系統電感中存儲的電能可產生很大的應力。現在一些熱插拔控制器使用帶外部電阻的并聯穩壓器保護芯片，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 解決方案相關的可靠性問題，包括能夠承受電感尖峰、緩慢打開和閉合轉換以及內在保護SOA 參數的能力。 |
