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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电路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电路板，从而避免了出现连接火花、背板供电干扰和电路板卡复位等问题。控制器 IC 驱动与插入电路板之电源相串联的功率 MOSFET 开关 （图 1）。电路板插入后，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：可插入电路板的热插拔控制器
CONNECTORS：连接器
BACKPLANE：背板
HOT SWAP CONTROLLER：热插拔控制器
当热插拔电路出现故障时，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，却在电路忽略了 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？
电路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 对于热插拔电路是非常重要，提供了输入浪涌电流控制 （软启动）、限流和电路断路器功能。要理解这一点，请看热插入电路板的启动波形 （图 3a）。当电路板插入到 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，直至电路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。
图1：可插入电路板的热插拔控制器
CONNECTORS：连接器
BACKPLANE：背板
HOT SWAP CONTROLLER：热插拔控制器
当热插拔电路出现故障时，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，却在电路忽略了 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？
电路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 对于热插拔电路是非常重要，提供了输入浪涌电流控制 （软启动）、限流和电路断路器功能。要理解这一点，请看热插入电路板的启动波形 （图 3a）。当电路板插入到 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，直至电路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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