热插拔可靠性的新标准
大多数热插拔系统都有一些内在的故障机理,一个是功率FET的安全工作区(SOA)问题,另一个是在电流流过时拔出器件承受感应尖峰(inductive spike)的能力问题。本文介绍不采用高额定值的功率器件和短路引脚,而通过使用一个集成的热插拔器件来解决这两个问题。
典型的热插拔控制器采用称为断路器(circuit breaker)的方案来保护电路及其FET。该方法使用双电平限流使器件能在浪涌电流下工作,并在发生短路时仍可快速关断。在这类电路中,FET处于开或关状态。这是一种行之有效的保护连接电路和功率FET的方法,但是需要电路设计工程师推测来确定过流情况发生时间的长短。这种方法也比其它方法更可能引起跳闸。由于与保护FET相关的不确定性,这种方法一般会使功率器件的尺寸过大。
一个替代的方法是在浪涌发生时将FET用作线性限流器件,其优点在于可以保护连接电路并更能承受浪涌,缺点则是必须小心谨慎,以避免超出FET的安全工作区。由于限流过程中会产生大量功耗,所以很容易超过SOA限制。功率MOSFET的安全工作区一般由规定了器件可以承受特定时间的最大允许电压和电流组合的图表表示。
使用单片控制器和FET可以直接检测FET裸片区域的温度。裸片温度是防止FET出现各种热过应力(overstress)的一个变量。单个控制器和FET不能检测裸片温度,而必须考虑漏极到源极的电压范围、大概的漏极电流以及脉冲持续时间和FET热路径的范围以防止功率器件热过应力。这种解决方案可以保护FET,但是由于变量过多而且不了解个别精确信息,因此需要比实际所需的更大的FET。
>图1：单片热插拔器件的裸片布局该器件使用诸如NIS5101的混合解决方案,可以承受任何电压和电流(不超过最大器件电压额定值)且仍处于其SOA范围之内。图1显示该器件的典型裸片布局。数个正向偏压二极管用作温度检测器件,这些二极管具有负温度特性。测量正向压降并与参考电压相比较,以确定器件是否已达到其135℃的最高温度。
该电路需要几微秒来对故障产生响应。该器件的封装为D2PAK,其热时间常数约为200ms。时间延迟使最高温度最多仅可超过跳闸点几度,这取决于器件的功耗。在跳闸点和裸片最大额定值之间有40度的容限,所以不会存在损坏裸片的危险。选择135℃的最高温度,以保持引脚温度为105℃或更低,从而确保故障时间延长时
