熱插拔可靠性的新標(biāo)準(zhǔn)

　　大多數(shù)熱插拔系統(tǒng)都有一些內(nèi)在的故障機(jī)理，一個(gè)是功率FET 的安全工作區(qū)(SOA)問(wèn)題，另一個(gè)是在電流流過(guò)時(shí)拔出器件承受感應(yīng)尖峰(inductive spike)的能力問(wèn)題。本文介紹不采用高額定值的功率器件和短路引腳，而通過(guò)使用一個(gè)集成的熱插拔器件來(lái)解決這兩個(gè)問(wèn)題。

　　典型的熱插拔控制器采用稱為斷路器(circuit breaker)的方案來(lái)保護(hù)電路及其FET。該方法使用雙電平限流使器件能在浪涌電流下工作，并在發(fā)生短路時(shí)仍可快速關(guān)斷。在這類電路中，F(xiàn)ET 處于開或關(guān)狀態(tài)。這是一種行之有效的保護(hù)連接電路和功率FET 的方法，但是需要電路設(shè)計(jì)工程師推測(cè)來(lái)確定過(guò)流情況發(fā)生時(shí)間的長(zhǎng)短。這種方法也比其它方法更可能引起跳閘。由于與保護(hù)FET 相關(guān)的不確定性，這種方法一般會(huì)使功率器件的尺寸過(guò)大。

　　一個(gè)替代的方法是在浪涌發(fā)生時(shí)將FET 用作線性限流器件，其優(yōu)點(diǎn)在于可以保護(hù)連接電路并更能承受浪涌，缺點(diǎn)則是必須小心謹(jǐn)慎，以避免超出FET 的安全工作區(qū)。由于限流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量功耗，所以很容易超過(guò)SOA 限制。功率MOSFET 的安全工作區(qū)一般由規(guī)定了器件可以承受特定時(shí)間的最大允許電壓和電流組合的圖表表示。

　　使用單片控制器和FET 可以直接檢測(cè)FET 裸片區(qū)域的溫度。裸片溫度是防止FET 出現(xiàn)各種熱過(guò)應(yīng)力(overstress)的一個(gè)變量。單個(gè)控制器和FET 不能檢測(cè)裸片溫度，而必須考慮漏極到源極的電壓范圍、大概的漏極電流以及脈沖持續(xù)時(shí)間和FET 熱路徑的范圍以防止功率器件熱過(guò)應(yīng)力。這種解決方案可以保護(hù)FET，但是由于變量過(guò)多而且不了解個(gè)別精確信息，因此需要比實(shí)際所需的更大的FET。

圖1：?jiǎn)纹瑹岵灏纹骷穆闫季?/P>

　　該器件使用諸如NIS5101 的混合解決方案，可以承受任何電壓和電流(不超過(guò)最大器件電壓額定值)且仍處于其SOA 范圍之內(nèi)。圖1 顯示該器件的典型裸片布局。數(shù)個(gè)正向偏壓二極管用作溫度檢測(cè)器件，這些二極管具有負(fù)溫度特性。測(cè)量正向壓降并與參考電壓相比較，以確定器件是否已達(dá)到其135℃的最高溫度。

　　該電路需要幾微秒來(lái)對(duì)故障產(chǎn)生響應(yīng)。該器件的封裝為D2PAK，其熱時(shí)間常數(shù)約為200ms。時(shí)間延遲使最高溫度最多僅可超過(guò)跳閘點(diǎn)幾度，這取決于器件的功耗。在跳閘點(diǎn)和裸片最大額定值之間有40 度的容限，所以不會(huì)存在損壞裸片的危險(xiǎn)。選擇135℃的最高溫度，以保持引腳溫度為105℃或更低，從而確保故障時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，電路板不會(huì)遭受熱損壞。該電路可以以遲滯模式來(lái)限制溫度-不固定地在135℃和95℃之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換(自動(dòng)重試模式)， 或者在達(dá)到135℃極限時(shí)可以閉鎖。

　　我們使器件短路20 秒并去除負(fù)載15 秒，對(duì)40 個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試。10,000 個(gè)短路周期之后，并未發(fā)生故障。因?yàn)殡娐肥褂昧俗詣?dòng)重試器件且提供給FET 的功率約為250 瓦，電路熱量在20 秒短路中循環(huán)多次。這就在測(cè)試器件中總共進(jìn)行了8 億次熱循環(huán)。

　　許多熱插拔解決方案因功率FET 電壓的上升或下降時(shí)間緩慢而發(fā)生故障。在這一階段產(chǎn)生大量的功耗，所以在許多設(shè)計(jì)中很可能超過(guò)功率FET 的SOA。由于SMART HotPlug(智能熱插拔)器件中使用熱保護(hù)方案，F(xiàn)ET 不會(huì)因打開或閉合時(shí)的緩慢變化而損壞。在最糟糕的情況下，器件只要達(dá)到其熱極限就會(huì)關(guān)斷。

圖2：熱保護(hù)電路工作過(guò)程

　　圖2 顯示了當(dāng)負(fù)載電容(4,200uF)充電時(shí)，電流達(dá)到其限制電平并保持恒定。8ms 之后，F(xiàn)ET 裸片達(dá)到其最高溫度且器件關(guān)斷。10ms 之后，裸片溫度下降到95℃且器件重新工作。這將持續(xù)4 個(gè)周期，直至電容完全充電。請(qǐng)注意每個(gè)導(dǎo)電周期逐步延長(zhǎng)，這是因?yàn)镕ET 中的功率下降。電流保持不變，但是漏極到源極的電壓下降，因此功率下降。

　　當(dāng)器件從系統(tǒng)中拔出，而電流正通過(guò)該器件時(shí)，將產(chǎn)生另一種故障模式。當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器發(fā)生短路且將其拔去時(shí)，會(huì)發(fā)生這種情況，拔去器件會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)電感中存儲(chǔ)的電能可產(chǎn)生很大的應(yīng)力?，F(xiàn)在一些熱插拔控制器使用帶外部電阻的并聯(lián)穩(wěn)壓器保護(hù)芯片，但這種解決方案因?yàn)樾枰獠抗β孰娮?，增加了系統(tǒng)成本。其它系統(tǒng)使用短路引腳，這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

　　采用分立半導(dǎo)體工藝來(lái)設(shè)計(jì)熱插拔器件，由于其幾何尺寸較大，因而提供了更為堅(jiān)固的解決方案，這個(gè)單片器件可以承受更高的能量，因?yàn)樗⒃谳^大的幾何尺寸的半導(dǎo)體工藝上，而不是較小尺寸的模擬工藝，而且功率器件吸收了大部分感應(yīng)能量。

　　SMART HotPlug 器件針對(duì)為非鉗位感應(yīng)尖峰(UIS)進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。NIS5101 可以承受感應(yīng)電能，因?yàn)橄到y(tǒng)電感處于100uH 至10mH 之間，電感的大小取決于拔出時(shí)的電流大小。

本文小結(jié)

　　單片功率器件極為穩(wěn)健，而且可以解決諸多與模擬控制器/功率FET 解決方案相關(guān)的可靠性問(wèn)題，包括能夠承受電感尖峰、緩慢打開和閉合轉(zhuǎn)換以及內(nèi)在保護(hù)SOA 參數(shù)的能力。