MOSFET安全工作區(qū)對(duì)熱插拔應(yīng)用的意義-KIA MOS管

即使是在插入和拔出電路板和卡進(jìn)行維修或者調(diào)整容量時(shí)，任務(wù)關(guān)鍵的伺服器和通信設(shè)備也必須能夠不間斷工作。熱插拔控制器 IC 通過軟啟動(dòng)電源，支持從正在工作的系統(tǒng)中插入或移除電路板，從而避免了出現(xiàn)連接火花、背板供電干擾和電路板卡復(fù)位等問題。

控制器 IC 驅(qū)動(dòng)與插入電路板之電源相串聯(lián)的功率 MOSFET 開關(guān) (圖 1)。電路板插入后，MOSFET 開關(guān)緩慢接通，這樣，流入的浪涌電流對(duì)負(fù)載電容充電時(shí)能夠保持在安全水平。

MOSFET SOA 熱插拔

圖1：可插入電路板的熱插拔控制器

CONNECTORS：連接器

BACKPLANE：背板

HOT SWAP CONTROLLER：熱插拔控制器

當(dāng)熱插拔電路出現(xiàn)故障時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)一般在 MOSFET 開關(guān)上，因而可能會(huì)損害或破壞熱插拔控制器。MOSFET 出現(xiàn)故障常見的原因是在選件時(shí)沒有重視其安全工作區(qū) (SOA)。

相反，選擇 MOSFET 時(shí)主要考慮了電阻 (RDS(on)) 上漏-源極以及最大漏極電流 (ID(max))。或者，新設(shè)計(jì)基于負(fù)載電容較小的老款設(shè)計(jì)，同樣的 MOSFET 能夠很好的工作。

大部分功率 MOSFET 針對(duì)低 RDS(on) 和快速開關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化，很多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師習(xí)慣面向這些特性來選擇 MOSFET，而 MOSFET 在顯著時(shí)間于高損耗開關(guān)狀態(tài)下過渡，卻在電路忽略了 SOA。

在 MOSFET 制造商參數(shù)選擇表中沒有 SOA，它并不能幫助。即使是注意到 SOA，由于 SOA 數(shù)據(jù)通常是基于計(jì)算而不是測(cè)試數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)用的降額或余量并不明顯。

MOSFET安全工作區(qū)

SOA 是對(duì) MOSFET 在脈沖和 DC 負(fù)載時(shí)功率處理能力的衡量。在 MOSFET 產(chǎn)品手冊(cè)的圖表中進(jìn)行了闡述，如圖 2 的實(shí)例所示。其 x 軸是 MOSFET 漏-源極電壓 (VDS)，而 y 軸是漏極電流 (ID)；兩個(gè)軸都使用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

在這張圖中，直線 (每一條代表不同的 tP) 表示恒定 MOSFET 功率。每條線代表了 MOSFET 在某一脈沖寬度 tP 時(shí)允許的功耗，tP 的范圍在微秒至無窮大 (DC)。

例如，圖中顯示了對(duì)于 10ms 脈沖，MOSFET 漏-源極上有 5V 電壓，流過的電流為 50A，計(jì)算得到功耗是 250W。同樣脈沖寬度下較低的功耗保證了安全 MOSFET 工作，圖中標(biāo)注為 10ms 線下面的區(qū)域，這就是 “安全工作區(qū)”。

圖的兩端是由接通電阻、漏-源極擊穿電壓、和最大脈沖漏極電流決定。

MOSFET SOA 熱插拔

圖 2：PSMN3R4-30BLE N 溝道 MOSFET 的安全工作區(qū)

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。

MOSFET SOA 熱插拔