利用保證的 SOA 在高電流熱插拔應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻

引言

在高電流背板應(yīng)用中要求實(shí)現(xiàn)電路板的帶電插拔，這就需要兼具低導(dǎo)通電阻 (在穩(wěn)態(tài)操作期間) 和針對(duì)瞬態(tài)情況之高安全工作區(qū) (SOA) 的 MOSFET。通常，專為擁有低導(dǎo)通電阻而優(yōu)化的新式 MOSFET 并不適合高 SOA 熱插拔應(yīng)用。

LTC®4234 是一款針對(duì)熱插拔 (Hot SwapTM) 應(yīng)用的集成型解決方案，其允許電路板在帶電背板上安全地插入和拔出。該器件把一個(gè)熱插拔控制器、功率 MOSFET 和電流檢測(cè)電阻器集成在單個(gè)封裝中，以滿足小型化應(yīng)用的要求。對(duì) MOSFET 的安全工作區(qū)進(jìn)行了生產(chǎn)測(cè)試，并保證其能承受熱插拔應(yīng)用中的應(yīng)力。

LTC4234 的 3.3mΩ 內(nèi)部 MOSFET 和 0.7mΩ 檢測(cè)電阻器可支持高達(dá) 20A 的負(fù)載電流。在該電流水平下，LTC4234 的功率耗散為：

PD = I2 · R = (20A)2 · (3.3mΩ + 0.7mΩ) = 1.6W

對(duì)于期望實(shí)現(xiàn)較低功率耗散的應(yīng)用，圖 1 所示的電路增設(shè)了一個(gè)與 LTC4234 的內(nèi)部 MOSFET 相并聯(lián)的外部低電阻 MOSFET，旨在把功率耗散降至低于：

PD = I2 · R = (20A)2 · ((3.3mΩ || 0.9mΩ) + 0.7mΩ) = 0.56W

在圖 1 所示的 12V 應(yīng)用中，LTC4234 的 MOSFET 處理的是高漏極至源極電壓情況，此時(shí) SOA 是一個(gè)主要的關(guān)注點(diǎn)。在正常操作期間，當(dāng)漏極至源極電壓較小時(shí)，一個(gè) LTC4365 過(guò)壓 / 欠壓電源保護(hù)控制器將接通 M1 (其為 0.9mΩ Infineon BSC009NE2LS MOSFET) 以降低總功率耗散，同時(shí)實(shí)際上消除了對(duì)于 SOA 的擔(dān)憂。

電路運(yùn)作

在該電路中，LTC4365 在輸入電壓低于 13.5V 和輸出電壓高于 10.5V 時(shí)接通 M1。由于 M1 的漏極連接至 LTC4234 的 SENSE 引腳，因此所有的電流都流過(guò) LTC4234 的內(nèi)部 0.7mΩ 檢測(cè)電阻器。一旦 LTC4234 下拉內(nèi)部 MOSFET 柵極電壓以限制輸送至負(fù)載的功率，外部 MOSFET 的柵極也將通過(guò)低泄漏二極管 D1 (BAR18FILM) 下拉。二極管 D1 的用途是使 LTC4234 的內(nèi)部 MSOFET 能夠在 LTC4365 把外部 MOSFET 保持關(guān)斷 (當(dāng) VIN > 13.5V 或 VOUT 10.5V 時(shí)) 的情況下接通，同時(shí)仍然允許 LTC4234 的下拉電路隨時(shí)將兩個(gè) MOSFET 全部關(guān)斷。建議采用一個(gè)低泄漏二極管，以防止 LTC4365 的 GATE 下拉與 LTC4234 的 24µA GATE 上拉電流發(fā)生沖突，特別是在二極管漏電流最大的高溫情況下。

圖 1：具保證 SOA 的高電流、低導(dǎo)通電阻、12V 熱插拔

圖 2 中的示波器波形顯示了當(dāng)在輸入端加電時(shí)的電路運(yùn)行方式。很明顯這是一種“階段式啟動(dòng)”。首先，LTC4234 的內(nèi)部 MOSFET 在 VIN 上出現(xiàn)電源約 50ms 之后接通，輸出電壓開始上升。在此期間，當(dāng)漏極至源極電壓很大時(shí)，MOSFET SOA 是一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題，MOSFET M1 處于斷開狀態(tài)。LTC4365 的 GATE (M1 的 GATE) 的緩慢上升是 LTC4365 內(nèi)部箝位功能電路起作用的結(jié)果，該箝位電路負(fù)責(zé)限制 M1 的柵極至源極電壓以保護(hù) MOSFET 的柵極氧化層。在啟動(dòng)階段結(jié)束且輸出電壓差不多等于輸入電壓之后，LTC4365 的 GATE 上升以接通外部 MOSFET。M1 起一個(gè)“旁路 FET”的作用，可減小從輸入至輸出的電阻。因此，LTC4234 的內(nèi)部 3.3mΩ MOSFET 和外部 0.9mΩ MOSFET 在正常操作期間均得到了強(qiáng)化，從而與單單采用 LTC4234 相比功率耗散有所減少。

圖 2：示波器波形

結(jié)論

利用這種方法，我們可以做到兩全其美。LTC4234 簡(jiǎn)化了滿足 SOA 要求的棘手任務(wù)，而一個(gè)專為擁有低導(dǎo)通電阻 (但未必高 SOA) 而優(yōu)化的外部 MOSFET則降低了 DC 功耗。