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MOSFET安全工作区对实现稳固热插拔应用的意义
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2017-11-10
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即使是在插入和拔出威廉希尔官方网站
板和卡进行维修或者调整容量时，任务关键的伺服器和通信设备也必须能够不间断工作。热插拔控制器 IC 通过软启动电源，支持从正在工作的系统中插入或移除威廉希尔官方网站
板，从而避免了出现连接火花、背板供电干扰和威廉希尔官方网站
板卡复位等问题。控制器 IC 驱动与插入威廉希尔官方网站
板之电源相串联的功率 MOSFET 开关 （图 1）。威廉希尔官方网站
板插入后，MOSFET 开关缓慢接通，这样，流入的浪涌电流对负载电容充电时能够保持在安全水平。
图1：可插入威廉希尔官方网站 板的热插拔控制器
CONNECTORS：连接器
BACKPLANE：背板
HOT SWAP CONTROLLER：热插拔控制器
当热插拔威廉希尔官方网站 出现故障时，薄弱环节一般在 MOSFET 开关上，因而可能会损害或破坏热插拔控制器。MOSFET 出现故障常见的原因是在选件时没有重视其安全工作区 （SOA）。相反，选择 MOSFET 时主要考虑了电阻 （RDS（on）） 上漏-源极以及最大漏极电流 （ID（max））。或者，新设计基于负载电容较小的老款设计，同样的 MOSFET 能够很好的工作。大部分功率 MOSFET 针对低 RDS（on） 和快速开关进行了优化，很多电源系统设计师习惯面向这些特性来选择 MOSFET，而 MOSFET 在显着时间于高损耗开关状态下过渡，却在威廉希尔官方网站 忽略了 SOA。在 MOSFET 制造商参数选择表中没有 SOA，它并不能帮助。即使是注意到 SOA，由于 SOA 数据通常是基于计算而不是测试数据，因此，应用的降额或余量并不明显。
MOSFET 安全工作区
SOA 是对 MOSFET 在脉冲和 DC 负载时功率处理能力的衡量。在 MOSFET 产品手册的图表中进行了阐述，如图 2 的实例所示。其 x 轴是 MOSFET 漏-源极电压 （VDS），而 y 轴是漏极电流 （ID）；两个轴都使用了对数坐标。在这张图中，直线 （每一条代表不同的 tP） 表示恒定 MOSFET 功率。每条线代表了 MOSFET 在某一脉冲宽度 tP 时允许的功耗，tP 的范围在微秒至无穷大 （DC）。例如，图中显示了对于 10ms 脉冲，MOSFET 漏-源极上有 5V 电压，流过的电流为 50A，计算得到功耗是 250W。同样脉冲宽度下较低的功耗保证了安全 MOSFET 工作，图中标注为 10ms 线下面的区域，这就是 “安全工作区”。图的两端是由接通电阻、漏-源极击穿电压、和最大脉冲漏极电流决定。
图 2：PSMN3R4-30BLE N 沟道 MOSFET 的安全工作区
为什么 SOA 对于热插拔应用非常重要？
威廉希尔官方网站 中采用的大部分功率 MOSFET 都能够快速接通和关断，以纳秒的时间处于高损耗转换状态。在这类应用中，SOA 并不是主要问题。相反，SOA 对于热插拔威廉希尔官方网站 是非常重要，提供了输入浪涌电流控制 （软启动）、限流和威廉希尔官方网站 断路器功能。要理解这一点，请看热插入威廉希尔官方网站 板的启动波形 （图 3a）。当威廉希尔官方网站 板插入到 12V 背板电源时，热插拔控制器等待连接器接触反弹完成，随后软启动 MOSFET 栅极。然后，输出电压跟随并在 40ms 内达到 12V。在这一软启动期间，会有 200mA 的电容充电电流流过 MOSFET，而其漏-源极电压从 12V （= 12VIN − 0VOUT） 几乎降至 0V （= 12VIN − 12VOUT）。在负载上出现短路时 （图 3b），控制器将 MOSFET 上的电流限制在 6A，电压为12V （= 12VIN − 0VOUT）。这一 72W 功耗状态持续 1.2ms，直至威廉希尔官方网站 断路器定时器计时结束。在启动浪涌和限流等状态中，需要热插拔 MOSFET 处理持续数百微秒至数十毫秒的显著功耗，应注意其 SOA 性能。
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图 2：PSMN3R4-30BLE N 沟道 MOSFET 的安全工作区
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