熱插拔電路的過熱保護方案性能比較

針對熱插拔電路所實行的過熱保護方案，本文將討論一種超越目前在分離式熱插拔電路中采用斷路器和NTC熱敏電阻的全新解決方案，提供最可靠的過熱保護，并比較它和傳統(tǒng)方法在性能上的優(yōu)勢。

在分布式電源系統(tǒng)、高可用性服務(wù)器、磁盤陣列以及帶電插卡等應(yīng)用上需要采用熱插拔保護電路。這些電路提供限制浪涌電流并防止短路的功能，以消除在將卡插入底板時因總線故障、過載或短路而造成停止工作的損失。沒有可靠的熱插拔電路，像電信服務(wù)器這種高可用性服務(wù)器將不能工作。

熱插拔保護電路需要結(jié)合控制電路和電源組件。將這些功能集成在一塊單芯片電路上，可以節(jié)省成本并增加諸如電流限制以及過熱保護等分離器件方案所不可能具備的重要功能。

斷路器解決方案

采用斷路器為分離式熱插拔電路提供過熱保護，是一種常用的方案。分離式熱插拔電路通常由一顆控制器、一顆單獨的功率FET、一顆功率感應(yīng)電阻以及一些零散的偏壓器件構(gòu)成。圖1為一個采用斷路器來提供過熱保護的典型分離式熱插拔電路的電路圖。這種熱插拔電路很復(fù)雜，其實現(xiàn)成本很高，并有一些固有的問題。

圖1：采用斷路器提供過熱保護的典型離 散過熱保護電路。

非集成熱插拔電路的一個主要問題就是在短路和過載情況下的過熱保護問題。當(dāng)發(fā)生短路時，該熱插拔電路必須承受不能超過功率FET的節(jié)溫。采用斷路器的做法這一點很難達到，因為功率FET的結(jié)溫是估計而不是測量得到的。

圖1 所示的電路中，斷路器結(jié)合了限流的功能。它采用線性工作模式對FET進行偏置，使電流在一定的周期或時間內(nèi)保持不變。也就是說，斷路器只有在500μs限流被啟動后才動作。每當(dāng)感應(yīng)電阻的壓降大于500mV時，限流就被啟動。因此，功率FET的電流被限制在500mV/R_sense。

如果我們采用一個32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一個5mΩ的感應(yīng)電阻，在短路時FET的電流將被限制在10A，超過500μs斷路器就會關(guān)閉FET。圖2顯示-48V應(yīng)用中的短路波形。

在該功率FET初始溫度為85℃的情況下，如果采用圖2中的電流和電壓，該FET在短路時的結(jié)溫可以用公式1來計算：

這里T_j為結(jié)溫，T_C為外殼溫度，P_D為FET功率消耗，R_θJC(t)

圖2：斷路器短路波形。

計算出的結(jié)溫非常接近功率FET(NTB52N10T4)的額定溫度上限T_j(150℃)，如果外殼溫度發(fā)生一個很小的變化，很容易便超過了它。

這正是為什么斷路器解決方案通常需要進行過設(shè)計(over-designed)的主要原因。這對于在短路時使用較大的FET或并行的FET配置來避免過熱很重要，這會大大增加熱插拔電路整體的系統(tǒng)成本。此外，周圍溫度和氣流無法控制得很好，以及在短時間內(nèi)存在多個瞬時脈沖的應(yīng)用，也很難準確估計功率FET的結(jié)溫。

NTC熱敏電阻解決方案

一些提供商建議采用熱敏電阻作為給熱插拔電路提供過熱保護的另一種方案。熱敏電阻是一種電阻隨其自身溫度的變化而變化的電子器件，這些器件不是具有正電阻溫度系數(shù)(PTC器件)，就是具有負電阻溫度系數(shù)(NTC器件)。

一些提供商建議在熱插拔電路中使用的NTC熱敏電阻，由金屬氧化物構(gòu)成，最常用的氧化物為錳、鎳、鈷、鐵、銅和鈦氧化物。制造商用的NTC熱敏電阻采用基本的陶瓷技術(shù)，與幾十年前的沒多大差別。

圖3：采用NTC熱敏電阻進行過熱保護的典 型離散熱插拔電路。

圖3 為一種典型的分離式熱插拔電路的原理圖，它采用NTC熱敏電阻來進行過熱保護。NTC熱敏電阻應(yīng)當(dāng)放置于離功率FET盡可能近(例如放在板的背面)。圖3 所示的電路熱保護的基本工作原理是，控制器ON引腳的電壓與NTC熱敏電阻上的溫度成反比，即隨著NTC熱敏電阻溫度的增加，ON引腳的電壓降低。熱敏電阻上的溫度與功率FET外殼的溫度直接成正比。

這種方法看起來很簡單，但它在采用NTC熱敏電阻來提供過熱保護時具有幾個固有的問題。其中一個問題就是，在NTC熱敏電阻上出現(xiàn)足夠高溫度(85℃)而需要降低控制器ON引腳的電壓到臨界值(0.6V)以下前，功率FET結(jié)的最大溫度很容易被超過。這是因為NTC熱敏電阻上的溫度完全取決于功率FET外殼溫度(T_C)所傳遞的熱量，而FET的結(jié)溫不僅取決于外殼溫度和功耗，還取決于系統(tǒng)溫度的升高，這由周圍溫度、銅線面積、氣流和其它許多因素決定。

容錯性問題也影響到NTC熱敏電阻和ON信號啟動電壓，這些錯誤可以導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉溫度發(fā)生顯著的變化。

如果我們采用和圖3電路相同的FET NTB52N10T4，對于一個12V、電流上限為10A的系統(tǒng)，可以計算出功率FET在超過結(jié)最大溫度150℃前，發(fā)生短路時外殼的最大溫度：

圖4：集成智能型熱插拔技術(shù)中NIS5101器 件的功能框圖。

那么

這表明該功率FET所允許的最大外殼溫度為66℃。因此，不可能采用圖3所示的電路來提供功率FET的過熱保護，因為圖3的溫度臨界值為85℃。

盡管可以采用一些方法來改變圖3中電路的溫度臨界值，但即使有可能，也很難對功率FET進行可靠的過熱保護。這不僅在于影響熱傳輸?shù)絅TC熱敏電阻的所有因素和條件，還因為這種做法在達到限流的一段時間后，并沒有定時電路來關(guān)閉功率FET。

集成智能熱插拔技術(shù)

智能型熱插拔(SMART HotPlug)集成電路技術(shù)將控制功能和功率SENSEFET集成到單芯片上，從而節(jié)省設(shè)計時間并降低整個熱插拔應(yīng)用中所需要的器件數(shù)目。其設(shè)計允許在一個48V底板上對電子設(shè)備進行安全的插入和拔出。該芯片的特點是既使用簡單，又是集成的解決方案。圖4為NIS5101組件的電路方塊圖。

該集成器件包括用戶可選擇的欠壓和過壓保護級，以及一個可調(diào)的啟動限流，利用一個電阻就可將電流從最大值向下調(diào)。它還集成了一個內(nèi)部過熱保護電路，從而大大增加了短路和過載情況下該器件的可靠性。

NIS5101器件的過熱保護電路提供了獨一無二的熱功能，它可以在短路和過載情況下保護功率SENSEFET。該電路通過內(nèi)部感應(yīng)二極管來感應(yīng)SENSEFET的結(jié)溫，這些二極管特意地放置在功率SENSEFET的活躍區(qū)域。

圖5：SENSEFET與熱關(guān)斷電路。

如果超過了最大結(jié)溫，該過熱保護電路會從SENSEFET將柵極驅(qū)動移除，此做法將使器件因關(guān)斷而受到保護。圖5表示過熱保護電路的簡單原理圖。當(dāng)結(jié)溫增加，感應(yīng)二極管的正向電壓下降，從而觸發(fā)比較器，因此功率SENSEFET的柵極驅(qū)動關(guān)斷。

過熱保護電路在結(jié)溫達到135℃時便會動作，確保功率SENSEFET不會超過最大結(jié)溫，并且引腳溫度(105℃左右)不會損壞PCB。集成智能插拔技術(shù)具有兩種可選的過熱保護：自動重試和閉鎖(latch-off)類型。

自動重試類型存在一個額定的40℃的遲滯現(xiàn)象。因此，在一次過熱保護后，當(dāng)溫度降致由遲滯現(xiàn)象所決定的安全級時將自動重啟。至于閉鎖類型，一旦器件達到了結(jié)溫極限135℃，它將一直保持關(guān)斷直到輸入電源再次被使用為止。

此新型過熱保護電路的關(guān)鍵之處就是功率SENSEFET的結(jié)溫是通過實際測量而不是估計的。由于該電路所提供的過熱保護不受其它次要因素，如瞬時脈沖、周圍溫度、系統(tǒng)氣流以及銅線面積的影響，使其非常可靠及穩(wěn)固。

本文結(jié)論

盡管所有的解決方案都對熱插拔電路提供了過熱保護，每種方案在可靠性和穩(wěn)固性程度方面都有相當(dāng)大的差別。短路和過載會對系統(tǒng)總線電壓產(chǎn)生顯著的影響，如果熱插拔電路對這些情況不能適當(dāng)控制，可能在某些情況下導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在短路和過載條件下不超過熱插拔電路中功率FET額定的結(jié)溫，讓系統(tǒng)總線電壓上產(chǎn)生問題的可能性降到最小，這是最關(guān)鍵的一點。