熱插拔保護(hù)電路設(shè)計(jì)及實(shí)例

　　圖4、啟動(dòng)過(guò)程中QGS的影響

　　這是因?yàn)樵赥0和T1之間傳輸電荷的增加小于電流限制，因此實(shí)際時(shí)間小于計(jì)算所需的時(shí)間。這個(gè)數(shù)值難以定量，它取決于控制器柵極電流以及MOSFET的柵極電荷和電容。在某些情況下，它可能占到整個(gè)充電電流的30％，因此在設(shè)計(jì)中需要對(duì)其加以考慮，尤其是使用大MOSFET及大電流的設(shè)計(jì)。

　　在利用具有較小柵極電荷的MOSFET的設(shè)計(jì)中，可假設(shè)柵極電壓的上升速度很快。這會(huì)導(dǎo)致從0 A到ITRIP的快速增加，從而引起不希望 的瞬變，在這種情況下，應(yīng)使用軟啟動(dòng)。

　　軟啟動(dòng)

　　利用軟啟動(dòng)，浪涌電流在軟啟電容設(shè)定的期間可以從零線性增加到滿量程。通過(guò)逐步提高基準(zhǔn)電流，能避免浪涌電流突然達(dá)到30 A的限制。需要注意的是，在軟啟過(guò)程中，電流處于調(diào)整過(guò)程中，因此，定時(shí)器從軟啟動(dòng)開始之際就進(jìn)入工作狀態(tài)，如圖5所示。

　　圖5 軟啟動(dòng)對(duì)定時(shí)器的影響

　　因此，推薦將軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定為不超過(guò)定時(shí)器總時(shí)間的10％~20％。例如，可以選擇100 μs的時(shí)間。軟啟電容可由下式確定：

　　其中 ISS = 10 μA and VSS = 1 V.

　　MOSFET與定時(shí)器的選擇

　　選擇合適的MOSFET的第一步為選定VDS 和ID標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于12 V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，VDS應(yīng)為30 V或40 V，以處理可能損壞MOSFET的瞬變。MOSFET的 ID應(yīng)遠(yuǎn)大于所需的最大值（參考圖3的SOA圖）。在大電流應(yīng)用中，最重要的指標(biāo)之一為MOSFET的導(dǎo)通電阻RDSON。較小的RDSON能確保MOSFET在正常工作時(shí)具有最小功耗，并在滿負(fù)載條件下產(chǎn)生最少的熱量。

　　對(duì)熱量及功耗的考慮

　　因?yàn)楸仨氁苊膺^(guò)熱，因此，在考慮SOA指標(biāo)與定時(shí)器選擇之前，應(yīng)該先考慮MOSFET在直流負(fù)載條件下的功耗。隨著MOSFET溫度的升高，額定功率將會(huì)減小或降額。此外，在高溫下工作時(shí)，MOSFET的使用壽命會(huì)縮短。

　　前面提及熱插拔控制器將在92 mV的最小檢測(cè)電壓下開啟定時(shí)器。為了進(jìn)行計(jì)算，我們需要知道不會(huì)觸發(fā)定時(shí)器的最大允許直流電流。假設(shè)最壞條件下的VREGMIN 為97 mV，那么，

　　假設(shè) MOSFET‘s 最大 RDSON is 2 mΩ，則功率為

　　數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)給出MOSFET在常溫下的熱電阻。封裝尺寸及附加的銅引線會(huì)對(duì)其具有一定影響。假設(shè)

　　由于 MOSFET需要消耗2.1W的功率，最壞條件下，溫度可能將上升到高于室溫126°C：

　　降低這個(gè)數(shù)值的一種方法是并聯(lián)使用兩個(gè)或更多的MOSFET，這樣能有效降低RDSON，從而降低MOSFET的功耗。使用兩個(gè)MOSFET時(shí)，假設(shè)電流在器件間均勻匹配（允許一定的容差），那么每個(gè)MOSFET的溫度升高最大值為32°C。下式給出了每個(gè)MOSFET的功耗：

　　假設(shè)室溫TA = 30°C，再加上這個(gè)溫度上升值，那么每個(gè)MOSFET的最大溫度為62°C。

　　MOSFET SOA考慮

　　下一步需要檢查SOA圖，以選擇合適的能工作在最壞條件的MOSFET。在短路到地的最壞條件下，可假設(shè)VDS等于 VMAX，為 13.2V，這是將MOSFET源極拉到地時(shí)MOSFET上能產(chǎn)生的最大電壓。在調(diào)節(jié)階段，最壞條件將取決于數(shù)據(jù)手冊(cè)中熱插拔控制器調(diào)節(jié)點(diǎn)的最大值，這個(gè)值為103 mV。于是，電流可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

　　在與MOSFET SOA圖進(jìn)行比較之前，我們需要考慮MOSFET的溫度降額，因?yàn)镾OA是以室溫（TC = 25°C）下的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。首先計(jì)算TC = 25°C下的功耗：

　　其中 RthJC 可由MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)得到。

　　現(xiàn)在對(duì)TC = 62°C進(jìn)行同樣的計(jì)算：

　　因此，1.42的降額因數(shù)可通過(guò)如下計(jì)算得到：

　　這需要被應(yīng)用于圖3的MOSFET SOA圖中。為了反映出調(diào)節(jié)過(guò)的額定功率，需要把表示施加最大功率的時(shí)間值的對(duì)角線向下平移。我們先使用1 ms線來(lái)舉例說(shuō)明這條曲線的原理。例如，在這條線上取一點(diǎn)，如（20 A、40 V），這點(diǎn)的功率為800 W，應(yīng)用降額公式：

　　在40 V，降額后的功率所對(duì)應(yīng)的電流為14 A，在SOA圖上這點(diǎn)將確定新的62°C降額后的1 ms線。使用同樣的辦法可確定新的10 ms以及100 μs線。新線在圖6中以紅色示出。

　　圖6、包含62°C降額后功率限制的SOA圖

　　選擇定時(shí)器電容

　　SOA中新的降額線可用于重新計(jì)算定時(shí)器的參數(shù)值。沿IMAX ≈ 35A 畫一條水平線，沿VMAX = 13.2 V畫一條垂直線（淡藍(lán)色的線），并確定它們與紅色線的交叉點(diǎn)。這些交叉點(diǎn)示出1 ms與10 ms之間的某個(gè)時(shí)間，也許是2 ms。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖的小范圍內(nèi)，一般很難獲取準(zhǔn)確的數(shù)值，因此要進(jìn)行慎重的選擇，要考慮到這些選擇對(duì)性能以及價(jià)格等其它標(biāo)準(zhǔn)的影響，確保留有足夠的容差。

　　前 面提到對(duì)負(fù)載進(jìn)行充電的時(shí)間約為850 μs。由于軟啟動(dòng)時(shí)間是由線性斜坡決定的，與階躍變化相比，要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)負(fù)載電容充電。為了估算總的電荷量，如果使用軟啟動(dòng)，假設(shè)需要在計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上加上軟啟動(dòng)時(shí)間的一半，于是，在850 μs上加軟啟動(dòng)時(shí)間的一半（50 μs），得到總時(shí)間約為900 μs。如果所選的MOSFET具有較大的柵極電荷（比如≥80 nC），如前所述，這個(gè)時(shí)間需要進(jìn)一步縮小。如果對(duì)負(fù)載充電的時(shí)間小于最大SOA時(shí)間，MOSFET就是合適的。在這個(gè)例子中，MOSFET符合標(biāo)準(zhǔn) （0.9 ms《2 ms）。

　　小于2 ms的定時(shí)器值足以保護(hù)MOSFET，大于0.9 ms則足夠?qū)ω?fù)載充電。如果選擇的時(shí)間恒定為1 ms，那么電容可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

　　其中 ITIMER = 60 μA 和 VTIMER = 1.3 V，

　　使用并聯(lián)MOSFET時(shí)，對(duì)定時(shí)器的計(jì)算不會(huì)變。重要的是應(yīng)使用單個(gè)MOSFET設(shè)計(jì)定時(shí)器及短路保護(hù)，原因是在一組MOSFET中，VGSTH會(huì)有顯著差異，因此在調(diào)整過(guò)程中，需要使用單個(gè)MOSFET處理較大的電流。

　　完成熱插拔設(shè)計(jì)

　　圖7所示的是具有正確參數(shù)值的并聯(lián)MOSFET熱插拔設(shè)計(jì)。ADM1177熱插拔控制器還能執(zhí)行其它功能。它集成了片上ADC，可用于將電源電壓和負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以通過(guò)I2C總線讀出，提供全集成的電流及電壓檢測(cè)功能。

　　圖7、完整的參考設(shè)計(jì)