空間受限型應(yīng)用中的PMBus熱插拔電路介紹

MOSFET, Q1

在我們的例子中，我們使用了 TI NexFET? CSD17309Q3 [3]，它是一種 25°C 下 4.9 mW 開態(tài)電阻的 30V 60A SON 器件。如果圖 4a 的開態(tài)電阻溫度系數(shù)約為 0.3%/°C，則 55°C 工作結(jié)溫下滿負(fù)載傳導(dǎo)損耗為 0.6W。柵極到源極齊納二極管將MOSFET VGS 維持在額定電平（正負(fù)極）。2°C/W 的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻抗 RthJ-C 表明，殼結(jié)溫升約為 1.2°C。最大額定 MOSFET 結(jié)溫為 150°C。故障狀態(tài)期間 1 ms 一次性脈沖時(shí)長條件下，圖 4b 和 4c 的曲線圖分別表示 50A、12V 時(shí)的安全工作區(qū) (SOA) 大小，以及 0.001 的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)到環(huán)境瞬態(tài)熱阻抗 ZthJ-A。

圖 4 CSD17309Q3[3] MOSFET: a) Rdson 隨溫度變化情況；b) SOA; c)瞬態(tài)熱阻抗

分流電阻器 RS

使用一個(gè) 2 m? 分流電阻器以后，LM25066 可提供 12.5A 的主動(dòng)電流限制（25 mV典型電流限制閾值電壓），并且精確度為 ±8%。因此，電流限制設(shè)置為額定滿負(fù)載電流的 125%?？焖僮饔脭嗦菲鞴δ茉O(shè)置為 22.5A （45 Mv 典型斷路閾值電壓）。

Vishay WSL1206-18 系列分流電阻器擁有 1% 容限和 275 ppm 電阻溫度系數(shù)。全部0.5W 額定功率可用于 70°C 額定溫度，但后續(xù)線性降低至 170°C。10A 時(shí)的分流器功耗為 0.2W。

熱插拔控制器 U1

LM25066 有一個(gè) I2C/SMBus 接口（使用 SCL、SDA/SMBA 和地址引腳連接）和一個(gè) PMBus 兼容型指令結(jié)構(gòu)，以幫助執(zhí)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置和遙測。利用三個(gè)地址引腳，設(shè)置 PMBus 地址。分別使用 1% 和 2% 精確度測量電壓、電流和功率遙測。一個(gè)二極管連接的晶體管溫度傳感器，幫助輕松、精確地進(jìn)行 MOSFET 溫度測量。

TVS, Z1

電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換速率達(dá)到 100A/?s 甚至更大，因此輸入功率通路中的電源軌總線結(jié)構(gòu)不可避免地存在寄生電感。存儲(chǔ)于該電感中的能量傳輸至電路中其他組件，以產(chǎn)生過電壓動(dòng)態(tài)行為。這種電感式電壓過沖，會(huì)損害熱插拔 MOSFET、熱插拔控制器和下游電路的可靠性，除非對其進(jìn)行正確的控制。按照圖 3 所示，使用一個(gè)快速響應(yīng)的單向 TVS 二極管，連接 VIN 和 GND。它主要充當(dāng)需要中斷的差模電流的分流通路。

制約 TVS [4] 的一些因素包括電氣性能、組件體積和成本。一般而言，TVS 平衡電壓 VR 等于或者大于 DC 或者連續(xù)峰值工作電壓電平。斷路事件期間承受峰值脈沖電流的 TVS 鉗位電壓 VC(MAX)，應(yīng)低于 MOSFET 和控制器的絕對最大額定電壓。另外，更高額定功率的 TVS 擁有更大的電壓開銷，因?yàn)樗膭?dòng)態(tài)阻抗更低。因此，如果要求有更尖利的曲線圖拐點(diǎn)，則相比只根據(jù)峰值功率規(guī)范選擇的一般強(qiáng)制規(guī)定，選擇更大的 TVS 要更加有利一些。

輸入電壓范圍為 12V±10% 時(shí)，選擇 15V Vishay Esmp 系列 TVS。該器件有一個(gè)陽極和兩個(gè)陰極連接。1.1 mm 的小體積，讓它能夠安裝在 PCB 的底部。

輸入電容器 CIN

因其可以降低輸入阻抗并提供去耦功能，本地輸入旁路電容有一定的作用，但在熱插拔期間插入插件卡時(shí)對 CIN 充電的脈沖電流一般會(huì)損害電容器的可靠性，因此這種電容并不怎么實(shí)用。當(dāng)電容器位于熱插拔電路前面時(shí)，許多 OEM 廠商將其看作為一個(gè)系統(tǒng)級可靠性問題，因此一般不會(huì)安裝這種電容器。

PCB 布局

圖 5 顯示了一種緊湊、高密度的電路 PCB 布局。圖 6 顯示了該模塊的照片。熱插拔解決方案共占用 300 mm2 的 PCB 面積。TVS 和可選無源組件均位于 PCB 的底部。柵極線路和分流檢測線路均短路，并且未使用輸入去耦電容器。使用表面貼裝端接，將電源和信號連接至主板。

圖 5 熱插拔電路 PCB 布局