面向热插拔应用的MOSFET

热插拔电路主要用于高可用性系统，例如数据中心和电信基础设施。在高可用性系统中采用热插拔电路时，即使需要更换或添加组件以维持系统运行，系统也不会中断运行。

对于电信服务器应用而言，高功率和高冗余至关重要，此时就需要热插拔控制器来调控浪涌电流。在电信服务器应用中，背板终端电压主流为48V和12V。在典型的12V背板系统中，由冗余电源组成，每个电源通过Oring MOSFET与并联的热插拔模块相连。MOSFET在热插拔应用中扮演着核心角色； 本文将依据ADI公司的12V ADM1278热插拔电路评估MOSFET的行为。

图1显示热插拔过程中通常会产生较大的瞬态电流（可达数百安培），用于给输出电容充电，这就要求MOSFET在线性工作模式下具备强大的SOA能力。

图｜多模块电信服务器热插拔应用

当热插拔模块（如图2所示）插入12V背板时，控制器的GATE引脚会向MOSFET的栅极以及外部的Rgate和Cgate提供恒定的24uA电流Ig。一旦GATE电压达到MOSFET的阈值电压VT，由于GATE引脚与Vout节点之间的Cgs电压将保持不变,Ig仅会对外部的Cgate和MOSFET内部的Crss进行充电。这与开关电源中MOSFET的密勒平台效应相似。

图｜热插拔电路原理图

输出电容CL所引起的浪涌电流Iin可由下列方程（1、2）表示：其中'n'代表并联的MOSFET数量。

与倾向于低Qgd的开关电源应用不同，在热插拔应用中，较大的Qgd有助于减小浪涌电流。另一方面，浪涌电流还取决于并联MOSFET的数量、输出电容CL的值以及负载电流。并联MOSFET越少，输出电容越大，则MOSFET承受的浪涌电流应力越大。以下是不同情况下AOS热插拔评估板上的测试波形。图3a显示，较大的CL会导致更大的浪涌电流（绿色曲线），而图3b则表明，并联MOSFET数量的增加会减少总浪涌电流（绿色曲线）。

图3a｜空载及不同输出CL下的启动波形对比

图3b｜空载、相同CL 50μF、不同并联数MOSFET的启动波形对比

电信-服务器热插拔应用通常涉及较大供电电流；因此，低Rdson的MOSFET是最优选择。为了确保系统在启动和短路条件下的稳健性，MOSFET在线性工作模式下承受高电压和电流应力时，需要有较大的安全工作区（SOA）。

图4显示，由于相对较大的Crss，AONS32310的浪涌电流低于竞品。这有利于放宽系统对浪涌电流的限制设置，而较低的Rdson意味着更高的整体效率。即便输出电容值和输入电压增加，AONS32310仍能正常工作，而同类竞品则无法工作。

图 4｜空载、相同CL 70μF的启动波形对比

图5重现了一种最恶劣情况：MOSFET处于导通状态且温度达到100°C的热平衡点。此时，热插拔控制器会进行复位，重新开启MOSFET，而MOSFET处于较高温度（100°C）。

图5｜在100°C暗室中相同50μF CL的空载启动波形对比

这些最恶劣条件测试结果表明了：与竞品相比，AOS的MOSFET在热插拔应用中更加稳健可靠。由于MOSFET上耗散的能量几乎等于输出CL中储存的能量，AOS建议使用下面方程来评估SOA能力的稳健性。

另一方面，如果采用相同的浪涌电流限制，AONS32100将表现出与竞品C几乎相同的启动波形，但需调整外部的Cgate和Rgate。在热插拔应用中，Ciss不会影响线性模式下的栅极电压。MOSFET已完全导通，栅极电压的最小延迟不会影响系统的效率和性能。

即使是顶级MOSFET也无法承受故障条件，比如几秒钟的输出短路。因此，热插拔控制器需要通过检测电流和电压应力来尽快关断MOSFET。Analog Devices的ADM1278具备过流和过功率保护功能。在过功率情况下，控制器不会关断MOSFET，直至故障定时器电压达到1V的故障阈值。该定时器可根据MOSFET的SOA设定，让设计人员能够灵活选择符合系统需求的MOSFET，并避免在启动和瞬态期间不必要的关断。图6展示了一系列基于AOS评估板的OCP和OPP事件。从波形可以看出，在最坏情况下，AONS32100在线性工作模式下可以承受42A / 9V超过20ms的短路故障。

图6｜短路条件及保护

目前，为满足社会发展日益增长的数据处理需求和网络通信的稳定性要求，数据中心、电信基础设施和存储系统服务器正朝着更高功率密度、更高效率、增强冗余和容错能力和安全性等方向发展。热插拔技术对于保持服务器的持续运行和减少停机时间至关重要，尤其是在需要24/7不间断服务的环境中。对于即使在最恶劣情况下也要确保高可用性的热插拔应用，选择稳健的MOSFET至关重要。高SOA和低Rdson有助于提高效率，增强系统的鲁棒性。

针对服务器48V输入电压的热插拔和缓启动的应用需求，AOS 特别优化了MOSFET的电气性能及封装，即将正式推出TOLL封装的解决方案-AOTL66935，其具有高度强壮的线性模式区SOA能力，以及1.9mΩ Rds(on)_max的低导通电阻，可减少功率损耗和散热需求，符合日益严格的能效标准; 同时TOLL 封装也能够进一步提升散热性能，有更高的可靠性，耐用性强，适合长时间运行在服务器环境中。