為什么 SOA 對(duì)于熱插拔應(yīng)用非常重要?

　　電路中采用的大部分功率 MOSFET 都能夠快速接通和關(guān)斷，以納秒的時(shí)間處于高損耗轉(zhuǎn)換狀態(tài)。在這類應(yīng)用中，SOA 并不是主要問題。相反，SOA 對(duì)于熱插拔電路是非常重要，提供了輸入浪涌電流控制 (軟啟動(dòng))、限流和電路斷路器功能。要理解這一點(diǎn)，請(qǐng)看熱插入電路板的啟動(dòng)波形 (圖 3a)。當(dāng)電路板插入到 12V 背板電源時(shí)，熱插拔控制器等待連接器接觸反彈完成，隨后軟啟動(dòng) MOSFET 柵極。然后，輸出電壓跟隨并在 40ms 內(nèi)達(dá)到 12V。在這一軟啟動(dòng)期間，會(huì)有 200mA 的電容充電電流流過 MOSFET，而其漏-源極電壓從 12V (= 12VIN − 0VOUT) 幾乎降至 0V (= 12VIN − 12VOUT)。在負(fù)載上出現(xiàn)短路時(shí) (圖 3b)，控制器將 MOSFET 上的電流限制在 6A，電壓為12V (= 12VIN − 0VOUT)。這一 72W 功耗狀態(tài)持續(xù) 1.2ms，直至電路斷路器定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束。在啟動(dòng)浪涌和限流等狀態(tài)中，需要熱插拔 MOSFET 處理持續(xù)數(shù)百微秒至數(shù)十毫秒的顯著功耗，應(yīng)注意其 SOA 性能。

　　圖 3a. 電路板熱插入到 12V 背板電源時(shí)的軟啟動(dòng)

　　CONTACT BOUNCE：接觸反彈

　　圖 3b. 輸出短路期間的限流

　　CONTACT BOUNCE：接觸反彈

　　SINGLE PULSE：?jiǎn)蚊}沖

　　GUARANTEED：有保證的

集成 MOSFET 熱插拔控制器以及有保證的 SOA

　　集成 MOSFET 的熱插拔控制器對(duì)設(shè)計(jì)師的幫助很大，使其無需在搜尋 MOSFET 數(shù)據(jù)資料以達(dá)到最佳適配上浪費(fèi)時(shí)間，從而簡(jiǎn)化了熱插拔設(shè)計(jì)師的工作。目前凌力而特提供的熱插拔控制器系列產(chǎn)品已經(jīng)集成了MOSFET 以及有保證的SOA, 其中LTC4233 和 LTC4234 (圖 4) 是集成了 MOSFET 和電流檢測(cè)功能的 10A 和 20A 熱插拔控制器，供電范圍在 2.9V 至 15V，覆蓋了標(biāo)準(zhǔn) 3.3V、5V 和 12V 電源。通過集成兩個(gè)最關(guān)鍵和最大的熱插拔組件 (功率 MOSFET 和檢測(cè)電阻)，這些控制器有助縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和減小電路板面積，為最終產(chǎn)品增加了更有價(jià)值的特性。

　　圖 4：LTC4234：20A 有保證的 SOA 熱插拔控制器

　　Guaranteed SOA：有保證的SOA

　　HOT SWAP：熱插拔

　　Power Good：電源良好

　　Current Monitor：電流監(jiān)視器

　　Current Limit Timer：限流定時(shí)器

　　Current Limit Adjustment and Temperature Monitor：限流調(diào)整和溫度監(jiān)視器

　　LTC4233 和 LTC4234 控制器特有的特性是產(chǎn)品手冊(cè)中保證了其內(nèi)部 MOSFET SOA，而這在獨(dú)立 MOSFET 中是找不到的。每器件的 SOA 在 SOA 圖中的單點(diǎn)上經(jīng)過了產(chǎn)品生產(chǎn)測(cè)試。圖 5 顯示了 LTC4234 的 SOA 圖。從輸入至輸出上應(yīng)用 13.5V 電壓，輸出源出 6A 并持續(xù) 30ms，以對(duì)其 SOA 進(jìn)行了測(cè)試。得出的功耗是 81W。這在 SOA 圖中以紅點(diǎn)表示。采用了同樣的電壓對(duì) LTC4233 進(jìn)行了測(cè)試，只是電流和功率減半 (即 3A 和 40.5W 并持續(xù) 30ms)。注意，LTC4233 和 LTC4234 SOA 圖顯示了有保證的最小 SOA，而 MOSFET 數(shù)據(jù)表顯示了典型值。

　　圖 5：LTC4234 熱插拔控制器有保證的安全工作區(qū)圖

　　SINGLE PULSE：?jiǎn)蚊}沖

　　GUARANTEED：有保證的

　　LTC4233 和 LTC4234 還輸出地參考信號(hào)，該信號(hào)與通過內(nèi)部檢測(cè)電阻器上的負(fù)載電流成正比?？梢圆捎猛獠磕?shù)轉(zhuǎn)換器 (圖 4) 來測(cè)量這一輸出，向系統(tǒng)管理人員提供電路板電流和功耗數(shù)據(jù)。通過一個(gè)外部電阻器從其默認(rèn)值減小限流值，這樣，可以迅速調(diào)整以適應(yīng)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化和各種應(yīng)用?？蛇x欠壓和過壓門限保護(hù)了下游負(fù)載不受超出有效窗口電壓的影響，從而防止了出現(xiàn)電路故障和損害。即使在不需要熱插入的地方，控制器也可以用于實(shí)現(xiàn)浪涌電流控制、限流和電路斷路器功能。這些控制器的典型應(yīng)用包括在任務(wù)關(guān)鍵的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和交換機(jī)、企業(yè)固態(tài)硬盤存儲(chǔ)和工業(yè)系統(tǒng)中空間受限的高密度電路板和卡等。

　　結(jié)論

　　除了熱插拔控制器本身，熱插拔電路還保護(hù)了電路板電源和 MOSFET 故障不會(huì)損壞 MOSFET 下游昂貴的處理電子器件。現(xiàn)場(chǎng)故障、暴露 MOSFET 弱點(diǎn)等可能會(huì)導(dǎo)致高昂的回收，從而對(duì)聲譽(yù)造成損害。因此，應(yīng)確保選擇 MOSFET 能夠可靠處理熱插拔應(yīng)用中遇到的壓力，這一點(diǎn)非常重要。LTC4233 和 LTC4234 集成了 MOSFET 熱插拔控制器，減小了解決方案占板面積，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，對(duì)每一個(gè)控制器 SOA 進(jìn)行了新產(chǎn)品測(cè)試，確保了實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固可靠的解決方案。

作者：Pinkesh Sachdev  
凌力爾特公司 混合信號(hào)產(chǎn)品部　高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)工程師