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這些電路常用于需要在整個工作壽命中保持完全正常工作狀態的系統，例如，服務器、網絡交換機、獨立磁盤冗余陣列(RAID)存儲器和其他形式的通信基礎設施，這些系統稱為高可用性系統。如果某個組件發生故障，則需要將其從系統中移除，并換上功能完全正常的組件，所有這些操作都需要在電源保持接通并且系統繼續工作的條件下完成，這一過程稱為“熱插拔”。 為了安全地執行上述操作，需要利用熱插拔控制器來控制浪涌電流，并且防止為其他系統供電的背板電源斷電。在正常工作期間，控制器也能防范短路和其他過流故障。ADI公司最新系列熱插拔控制器還集成了高精度數字電源監控器，支持高精度系統功率計量（見圖1）。 
圖1 許多高功率系統需要使用熱插拔器件，以便安全地控制上電時的浪涌電流并提供故障保護 隨著這些系統的電源要求越來越高，效率變得更加重要，以前那種容忍寬松、插入功率損耗嚴重的設計越來越行不通。ADM1275不僅提供高精度電源監控以報告系統功率，而且具有許多專門設計的特性，用以降低與熱插拔相關的典型損耗，如檢測電阻和MOSFET的插入損耗等。 下面我們將討論一個典型高電流刀片服務器熱插拔設計的設計過程，包括器件選型考慮。 系統規格 本例假設如下條件： ● 控制器采用ADM1275 ● VIN=12V（標稱值） ● VMAX=12.6V ● ITRIP=70A ● CLOAD=5000mF ● TMAX=65℃ ● RPOWERUP=10Ω（系統上電期間的靜態負載電阻） 為了簡便起見，計算中未考慮許多器件容差。當針對最差條件進行設計時，應考慮這些容差。 檢測電阻選擇 檢測電阻的選擇主要基于所需的斷路器動作電流。然而，ADM1275也包括一個可調的限流閾值，允許將限流精調到有限的標準檢測電阻值所提供的限值以上。檢測電壓可以在5～25mV范圍內編程，如此低的檢測電壓和編程的靈活性使檢測電阻的功率損耗得以降低，尺寸得以減小。 斷路器定時器（電流故障尖峰濾波器）開始點通常比調節點低0.8mV，這意味著若要設置70A(19.2mV)的跳變點，需要將調節點設置為約73A (20mV)。 這不是一個常用值，考慮最接近的值0.25mΩ，用2個0.5mΩ電阻并聯得到。根據上面的等式反求所需的檢測電壓：VSENSE=RSENSE×ITRIP=0.25 mΩ×73≈18.25mV。ISET引腳可以利用一個分壓器從VCAP基準電壓獲得所需的電壓（見圖2）。
圖2 VISET=VSENSE×50=18.3mV×50=0.915V 使用2.7V的VCAP基準電壓，假設R1=100kΩ，由此可知底部電阻為51.1kΩ。給定的ISET電壓能夠提供大約70A的斷路器跳變點和73A的調節電流設定點。假設最差情況直流電流可能高達75A（包括允許的誤差），則各電阻的最大直流電流約為42A，包括大約10%的余量以應對電流不平衡情況。因此，功率可以計算為：PRSENSE=ITRIP2×RSENSE=(42A)2×0.0005Ω=0.882W。每個檢測電阻應能消耗1 W以上的功率（包括降溫因素），推薦使用2W或3W電阻以降低工作溫度。應使用一系列10Ω電阻對所有這些節點求平均值，并將結果送至控制器。 本部分關鍵元件選擇小結： RISET(TOP)=100kΩ RISET(BOT)=51.1kΩ RSENSEx=0.5mΩ×2(2/3W) RAVGx=10Ω×4 MOSFET選擇 選擇適當的MOSFET的首要條件是導通電阻RDSON規格，目的是確保MOSFET在正常工作中獲得全面增強時，MOSFET中的功率損耗最小。 ADM1275提供高壓柵極驅動，確保實現最低10V的VGS，從而維持最低的額定RDSON。柵極驅動電路在實現上述特性的同時，仍能確保在故障狀況下不違背最高20V的VGS要求。 當MOSFET的溫度提高時，其功率額定值會降低，這稱為“減額”。RDSON規格決定MOSFET的最高結溫，因而也決定了可以應用于SOA參數的減額。此外，MOSFET在高溫下工作可能會降低其可靠性。 我們首先估算所需的RDSON。如前所述，最差情況下的最大直流電流為75A，然后使用第一部分規定的最大環境溫度，我們可以估算MOSFET的功率損耗。 首先做出幾項假設： ● RthJA=40C/W（最大值） ● TjMAX=120℃ （這是最高首選結溫，與任何芯片限制都相去甚遠） 計算結溫升高，然后計算單個FET的功率，接著計算總RDSON，對于單個FET，此數值太小，因此嘗試讓3個FET并聯，減去10%以便為布局不對稱引起的不平衡情況提供一些余量，再考慮1.4的系數以便支持一定的減額。 把這當作目標RDSON，據此查找合適的候選元件。查找范圍可以縮小為具有以下特性的FET： ● VDS=25/30V（20V是可能的選項，但不是首選） ● VGS=20V ● RDSON≤1.4mΩ 選定合適的MOSFET后，應利用MOSFET數據手冊中RDSON與TJ的關系圖確定RDSON的減額量。 使用120℃的TjMAX，從圖3可以看出：在120℃時，RDSON提高約1.52倍，達到大約1.824mΩ（假設25℃時為1.2mΩ）。一般而言，最好使結溫低于120℃，以提高可靠性。假設MOSFET的最大RDSON為1.83mΩ，則各FET的功率為1.39W。
圖3 這是由MOSFET在環境溫度下的熱阻決定的，數據手冊中會給出這一參數。尺寸、氣流、鄰近的熱源和附加的銅也會對此值有影響，必須謹慎小心確保額定條件得到滿足。對于本設計，MOSFET的預期功耗約為1.39W，最差情況下，溫度升高為環境溫度增加55.6℃以上。因此，FET的結溫可以通過下式確定：TJ=TA+T 該溫度低于選定的最大值120℃，因此應當能夠避免熱失控的風險。并聯使用多個MOSFET時，各MOSFET的柵極應串聯一個10Ω電阻，防止發生寄生振蕩。 本部分關鍵指標/元件選擇小結： QX=選定的1.2mΩ MOSFET RthJA=40k/W RGATE=10Ω(x3) 功率減額因數 確認最高結溫后，現在我們就可以確定最大減額因數。此因數將用于所有SOA參數的減額，以便確認該解決方案在整個溫度范圍內穩定可靠。 減額因數可以通過下式計算：
本部分關鍵指標/元件選擇小結： DF=2.5 折返 ADM1275利用折返技術來保護MOSFET免受過流故障或短路影響。輸出電壓通過FLB引腳上的分壓器監控，限流值基于MOSFET的VDS進行調整。圖4所示為這種關系的一個示例。
圖4 當輸出電壓為0時，一個下限箝位電路可防止限流值趨近于0。箝位電壓為固定值0.2V（FLB引腳，或4mV Vsense），對于本設計，它相當于約16A。當輸出電壓提高時，限流值隨之緩慢上升。該閾值由FLB引腳上的分壓器設置，所用基準電壓等于VSENSEREG X 50。此電壓應足夠低，以免任何預期的VOUT負載階躍影響限流值。PWRGD輸出也是從FLB引腳的電平獲得。如果目標值為10.3V，則可知分壓器的頂部電阻為100KΩ，底部電阻為12KΩ。 本部分關鍵指標/元件選擇小結： VPG=10.3V RFLB_TOP=100kΩ RFLB_BOT=12kΩ MOSFET安全工作區域分析 下一步是檢查MOSFET數據手冊中的SOA曲線，確定它能耐受最差情況FET功率的時間，進而確定適當的定時器電容值。在多FET解決方案中，必須假定在這類的上電事件中，單個FET能夠消耗100%的功率，這是因為各FET的Vth電平可能不同，調節過程中可能只有一個FET導通。 短路情況下，可以假設FET的Vds約為12.6V（假設源極接GND）。由于存在線路阻抗，實際值可能低于此值。 然而，從FET功率與Vout的關系曲線可知，這種關系不具單調性。如圖5所示，FET的最差情況功率約在6.3V（Vin的50%）。
圖5 用2.5的減額因數對其進行減額，得到135A。在MOSFET的SOA圖上，6.3V線與135A線相交可得到大約0.8ms（見圖6）。
圖6 應注意，某些FET的SOA功率線并不總是表示恒定的功率乘積，應當進行檢查，如果該線不是恒定的功率，則應檢查更多點。例如，在IFLBMIN=16A的情況下檢查13.2V的VMAX，減額至40A。這種情況下，6.3V SOA非常相似。如果對故障濾波器沒有特定要求，建議進一步降低此值，以考慮SOA容差和不精確性的影響。假設降低50%，變為0.4ms。 本部分關鍵指標/元件選擇小結： TSOA_MAX=400μs 上電分析 選定定時器后，現在必須檢查負載電容是否有足夠的時間來完成上電，這是通過啟動電流曲線與限流值相交的時間，即定時器在上電期間的有效時間來確定的。
圖7 在上電階段，由于負載電容需要浪涌電流，控制器通常會達到限流值。如果TIMER引腳設置的時間不足以讓負載電容完成充電，MOSFET就會被禁用，系統將無法上電。我們可以使用折返系統的平均限流值，估算上電時間。由于所需的時間超過已確定的SOA限值，系統將無法使該大小的負載電容完成上電。為了解決這一問題，上電時需要將浪涌電流降至熱插拔控制限值以下，具體實現方法是提高有效柵極電容，使上電時間變慢，浪涌電流減小。這樣，浪涌便通過一個開環源極跟隨器系統而得到控制。為了避免超過限流值(16A)，選定合適的柵極電容，使浪涌電流降至約10A。 本部分關鍵指標/元件選擇小結： CGATE=15nF TPOWERUP=7.5ms 定時器電容 確定MOSFET SOA要求并獲得滿意的上電時間后，現在就可以得到TIMER電容值約為22nF。 啟動時MOSFET中的功率 作為最后一步，我們需要檢查啟動時FET消耗的功率是否在MOSFET的SOA限值以內。負載電容充電所需的能量可以通過下式計算： PMOSFET=TRISE/RthIA =60/40=1.5W 如果我們再次檢查SOA，可以發現6.3V和22A對應于10ms以上的值，滿足SOA限制要求。 |
