MOSFET 安全工作区对实现稳固热插拔应用的意义所在
引言
即使是在插入和拔出电路板和卡进行维修或者调整容量时，任务关键的伺服器和通信设备也必须能够不间断工作。热插拔控制器 ic 通过软启动电源，支持从正在工作的系统中插入或移除电路板，从而避免了出现连接火花、背板供电干扰和电路板卡复位等问题。控制器 ic 驱动与插入电路板之电源相串联的功率 mosfet 开关 （图 1）。电路板插入后，mosfet 开关缓慢接通，这样，流入的浪涌电流对负载电容充电时能够保持在安全水平。
图1：可插入电路板的热插拔控制器
connectors：连接器
backplane：背板
hot swap controller：热插拔控制器
当热插拔电路出现故障时，薄弱环节一般在 mosfet 开关上，因而可能会损害或破坏热插拔控制器。mosfet 出现故障常见的原因是在选件时没有重视其安全工作区 （soa）。相反，选择 mosfet 时主要考虑了电阻 （rds（on）） 上漏-源极以及最大漏极电流 （id（max））。或者，新设计基于负载电容较小的老款设计，同样的 mosfet 能够很好的工作。大部分功率 mosfet 针对低 rds（on） 和快速开关进行了优化，很多电源系统设计师习惯面向这些特性来选择 mosfet，而 mosfet 在显着时间于高损耗开关状态下过渡，却在电路忽略了 soa。在 mosfet 制造商参数选择表中没有 soa，它并不能帮助。即使是注意到 soa，由于 soa 数据通常是基于计算而不是测试数据，因此，应用的降额或余量并不明显。
mosfet 安全工作区 soa 是对 mosfet 在脉冲和 dc 负载时功率处理能力的衡量。在 mosfet 产品手册的图表中进行了阐述，如图 2 的实例所示。其 x 轴是 mosfet 漏-源极电压 （vds），而 y 轴是漏极电流 （id）；两个轴都使用了对数坐标。在这张图中，直线 （每一条代表不同的 tp） 表示恒定 mosfet 功率。每条线代表了 mosfet 在某一脉冲宽度 tp 时允许的功耗，tp 的范围在微秒至无穷大 （dc）。例如，图中显示了对于 10ms 脉冲，mosfet 漏-源极上有 5v 电压，流过的电流为 50a，计算得到功耗是 250w。同样脉冲宽度下较低的功耗保证了安全 mosfet 工作，图中标注为 10ms 线下面的区域，这就是 “安全工作区”。图的两端是由接通电阻、漏-源极击穿电压、和最大脉冲漏极电流决定。
图 2：psmn3r4-30ble n 沟道 mosfet 的安全工作区
为什么 soa 对于热插拔应用非常重要？ 电路中采用的大部分功率 mosfet 都能够快速接通和关断，以纳秒的时间处于高损耗转换状态。在这类应用中，soa 并不是主要问题。相反，soa 对于热插拔电路是非常重要，提供了输入浪涌电流控制 （软启动）、限流和电路断路器功能。要理解这一点，请看热插入电路板的启动波形 （图 3a）。当电路板插入到 12v 背板电源时，热插拔控制器等待连接器接触反弹完成，随后软启动 mosfet 栅极。然后，输出电压跟随并在 40ms 内达到 12v。在这一软启动期间，会有 200ma 的电容充电电流流过 mosfet，而其漏-源极电压从 12v （= 12vin − 0vout） 几乎降至 0v （= 12vin − 12vout）。在负载上出现短路时 （图 3b），控制器将 mosfet 上的电流限制在 6a，电压为12v （= 12vin − 0vout）。这一 72w 功耗状态持续 1.2ms，直至电路断路器定时器计时结束。在启动浪涌和限流等状态中，需要热插拔 mosfet 处理持续数百微秒至数十毫秒的显著功耗，应注意其 soa 性能。
图 3a. 电路板热插入到 12v 背板电源时的软启动
contact bounce：接触反弹
图 3b. 输出短路期间的限流
contact bounce：接触反弹
single pulse：单脉冲
guaranteed：有保证的
集成 mosfet 热插拔控制器以及有保证的 soa 凌力尔特公司提供了集成 mosfet 的热插拔控制器系列，设计师不需要花费时间来搜寻 mosfet 数据资料以达到最佳适配，从而简化了热插拔设计师的工作。这一系列中的最新型号 ltc4233 和 ltc4234 （图 4） 是集成了 mosfet 和电流检测功能的 10a 和 20a 热插拔控制器，供电范围在 2.9v 至 15v，覆盖了标准 3.3v、5v 和 12v 电源。通过集成两个最关键和最大的热插拔组件 （功率 mosfet 和检测电阻），这些控制器有助缩短设计时间和减小电路板面积，为最终产品增加了更有价值的特性。
图 4：ltc4234：20a 有保证的 soa 热插拔控制器
guaranteed soa：有保证的soa
hot swap：热插拔
power good：电源良好
current monitor：电流监视器
current limit timer：限流定时器
current limit adjustment and temperature monitor：限流调整和温度监视器
ltc4233 和 ltc4234 控制器特有的特性是产品手册中保证了其内部 mosfet soa，而这在独立 mosfet 中是找不到的。每器件的 soa 在 soa 图中的单点上经过了产品生产测试。图 5 显示了 ltc4234 的 soa 图。从输入至输出上应用 13.5v 电压，输出源出 6a 并持续 30ms，以对其 soa 进行了测试。得出的功耗是 81w。这在 soa 图中以红点表示。采用了同样的电压对 ltc4233 进行了测试，只是电流和功率减半 （即 3a 和 40.5w 并持续 30ms）。注意，ltc4233 和 ltc4234 soa 图显示了有保证的最小 soa，而 mosfet 数据表显示了典型值。
图 5：ltc4234 热插拔控制器有保证的安全工作区图
single pulse：单脉冲
guaranteed：有保证的
ltc4233 和 ltc4234 还输出地参考信号，该信号与通过内部检测电阻器上的负载电流成正比。可以采用外部模数转换器 （图 4） 来测量这一输出，向系统管理人员提供电路板电流和功耗数据。通过一个外部电阻器从其默认值减小限流值，这样，可以迅速调整以适应动态负载变化和各种应用。可选欠压和过压门限保护了下游负载不受超出有效窗口电压的影响，从而防止了出现电路故障和损害。即使在不需要热插入的地方，控制器也可以用于实现浪涌电流控制、限流和电路断路器功能。这些控制器的典型应用包括在任务关键的服务器、网络路由器和交换机、企业固态硬盘存储和工业系统中空间受限的高密度电路板和卡等。
结论 除了热插拔控制器本身，热插拔电路还保护了电路板电源和 mosfet 故障不会损坏 mosfet 下游昂贵的处理电子器件。现场故障、暴露 mosfet 弱点等可能会导致高昂的回收，从而对声誉造成损害。因此，应确保选择 mosfet 能够可靠处理热插拔应用中遇到的压力，这一点非常重要。ltc4233 和 ltc4234 集成了 mosfet 热插拔控制器，减小了解决方案占板面积，缩短了设计时间，对每一个控制器 soa 进行了新产品测试，确保了实现坚固可靠的解决方案。
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backplane：背板
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mosfet 安全工作区 soa 是对 mosfet 在脉冲和 dc 负载时功率处理能力的衡量。在 mosfet 产品手册的图表中进行了阐述，如图 2 的实例所示。其 x 轴是 mosfet 漏-源极电压 （vds），而 y 轴是漏极电流 （id）；两个轴都使用了对数坐标。在这张图中，直线 （每一条代表不同的 tp） 表示恒定 mosfet 功率。每条线代表了 mosfet 在某一脉冲宽度 tp 时允许的功耗，tp 的范围在微秒至无穷大 （dc）。例如，图中显示了对于 10ms 脉冲，mosfet 漏-源极上有 5v 电压，流过的电流为 50a，计算得到功耗是 250w。同样脉冲宽度下较低的功耗保证了安全 mosfet 工作，图中标注为 10ms 线下面的区域，这就是 “安全工作区”。图的两端是由接通电阻、漏-源极击穿电压、和最大脉冲漏极电流决定。
图 2：psmn3r4-30ble n 沟道 mosfet 的安全工作区
为什么 soa 对于热插拔应用非常重要？ 电路中采用的大部分功率 mosfet 都能够快速接通和关断，以纳秒的时间处于高损耗转换状态。在这类应用中，soa 并不是主要问题。相反，soa 对于热插拔电路是非常重要，提供了输入浪涌电流控制 （软启动）、限流和电路断路器功能。要理解这一点，请看热插入电路板的启动波形 （图 3a）。当电路板插入到 12v 背板电源时，热插拔控制器等待连接器接触反弹完成，随后软启动 mosfet 栅极。然后，输出电压跟随并在 40ms 内达到 12v。在这一软启动期间，会有 200ma 的电容充电电流流过 mosfet，而其漏-源极电压从 12v （= 12vin − 0vout） 几乎降至 0v （= 12vin − 12vout）。在负载上出现短路时 （图 3b），控制器将 mosfet 上的电流限制在 6a，电压为12v （= 12vin − 0vout）。这一 72w 功耗状态持续 1.2ms，直至电路断路器定时器计时结束。在启动浪涌和限流等状态中，需要热插拔 mosfet 处理持续数百微秒至数十毫秒的显著功耗，应注意其 soa 性能。
图 3a. 电路板热插入到 12v 背板电源时的软启动
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结论 除了热插拔控制器本身，热插拔电路还保护了电路板电源和 mosfet 故障不会损坏 mosfet 下游昂贵的处理电子器件。现场故障、暴露 mosfet 弱点等可能会导致高昂的回收，从而对声誉造成损害。因此，应确保选择 mosfet 能够可靠处理热插拔应用中遇到的压力，这一点非常重要。ltc4233 和 ltc4234 集成了 mosfet 热插拔控制器，减小了解决方案占板面积，缩短了设计时间，对每一个控制器 soa 进行了新产品测试，确保了实现坚固可靠的解决方案。
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