目前有很多PCB設(shè)計(jì)工程師在開發(fā)高速數(shù)位電路板，其中設(shè)計(jì)熱插拔電路以提高電路板功效是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作。本文將介紹熱插拔設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，說明不同類型熱插拔控制器的利弊，并詳細(xì)講述熱插拔三個(gè)關(guān)鍵元件的選擇過程，即類比控制器、功率MOSFET和功率感應(yīng)電阻器。

 

雖然現(xiàn)在已有很多關(guān)注于熱插拔控制器設(shè)計(jì)文獻(xiàn)，但是熱插拔設(shè)計(jì)功能性、可靠性及難易程度還取決于在穩(wěn)定狀態(tài)與短路條件下控制器和MOSFET的正確選擇。下面我們將對一個(gè)電路板設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行逐步分析，并說明應(yīng)用某些控制器時(shí)的設(shè)計(jì)複雜性。

 

基本熱插拔電路

圖1顯示了一個(gè)基本熱插拔電路，它包括一個(gè)熱插拔控制器(U1)、一個(gè)N通道功率MOSFET(Q1)和一個(gè)功率感應(yīng)電阻器(Rsense)。

 

有兩種類型熱插拔控制器，分別是電壓控制型和電流控制型。電壓控制型對Q1的柵極慢慢充電，漏電壓跟隨柵極電壓變化。這種類型的問題是涌入電流不能直接控制，而取決于輸入電源的輸出阻抗和熱插拔負(fù)載的阻抗，可在MOSFET周圍加幾個(gè)分離元件限制涌入電流，因此還必須添加其它一些元件以便在出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉。建議新設(shè)計(jì)不要采用這種結(jié)構(gòu)，除非是在較低的功率水淮上進(jìn)行熱插拔。

 

電流控制熱插拔控制器至少含有一個(gè)線性電流放大器(LCA)。電流放大器可以感應(yīng)Rsense兩端的電壓，并透過回拉Q1的Vgs以保持Rsense上的電壓，因而限制峰值涌入電流。由于涌入電流是可以選擇的，所以DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入電壓的上升時(shí)間將主要由輸入阻抗決定。開機(jī)時(shí)涌入電流過衝擊主要取決于負(fù)載阻抗、所選擇的MOSFET、熱插拔控制器驅(qū)動(dòng)器和熱插拔LCA的速度。

 

選擇熱插拔控制器

應(yīng)選擇整合的熱插拔還是分離的MOSFET/控制器解決方案呢？讓我們首先考慮一下采用整合MOSFET的類比IC方法，可能要考慮的第一件事是整合系統(tǒng)IC與單獨(dú)的控制器和功率MOSFET的比較。對于-48V電信應(yīng)用，目前市場上至少已有一種整合解決方案，就是來自Supertex的HV111。該元件在類比過程中整合了一個(gè)內(nèi)建的旁路MOSFET開關(guān)，通常而言類比過程比功率MOSFET具有更高的Rds(on)與面積的乘積，這意味著對于相同的Rds(on)類比開關(guān)將佔(zhàn)用更多的空間，或者說在相同的面積內(nèi)，類比開關(guān)將有更高的Rds(on)，這對80V或100V開關(guān)尤其如此。HV111有一個(gè)額定80V的開關(guān)，典型Rds(on)為1Ω，最大Rds(on)為1.5Ω。

 

如果負(fù)載電流為1A，則開關(guān)最大電壓降為1.5V，可能導(dǎo)致低壓鎖定，因此制造商將元件的額定值設(shè)為1.65A。由于負(fù)載為72W，峰值電流可能為2.8A，所以可將元件搜尋范圍收窄到外部電流控制器熱插拔或分開的功率MOSFET與Rsense。

 

那么應(yīng)使用什么樣的電流控制器？由于主要關(guān)心的是系統(tǒng)可靠性，所以要尋找對過電流或短路響應(yīng)最快的控制器，制造商把這個(gè)作為從Vsense高電平至拉回到閾值附近的MOSFET的柵極電壓或低tpHLsense的傳播延遲。制造商還可能標(biāo)出控制回路跨導(dǎo)dIgate/dVsense，它表示柵極電壓變化與Vsense電壓變化之比。另外還要看一下柵極驅(qū)動(dòng)功能，以確定其可以產(chǎn)生或消除MOSFET寄生電容器。

 

下面我們比較一下故障響應(yīng)速度和柵極驅(qū)動(dòng)特性。具有較高下拉電流的快速元件在故障條件下功率消耗較低，很多控制器只解決通過控制器的時(shí)間延遲，經(jīng)過MOSFET的開關(guān)時(shí)間則交由設(shè)計(jì)人員運(yùn)算。

 

由于制造商標(biāo)明的控制回路速度各有不同，所以最好在工作臺上用相同測試條件對幾個(gè)樣本進(jìn)行比較。同樣，傳播延遲從檢測出故障開始，直到柵極電壓被下拉到類比電流設(shè)定點(diǎn)為止。

 

使用浮動(dòng)控制器時(shí)，需要添加額外的電阻器，稱為Rshunt。如像UCCx921、ADM1070和LTC4151均為‘浮動(dòng)’控制器，就意味著元件裡都含有一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器在地和-48V線路之間與一個(gè)分流電阻器串聯(lián)。UCCx921有一個(gè)最小9V的調(diào)節(jié)電壓，因此其Rshunt消耗的功率為：

 

PRshunt=(Vinmax-Vregmin)2/Rshunt

 

建議以最小Vin向調(diào)節(jié)器提供至少2.5mA偏流，因此

Rshunt=(Vinmin-Vrefmax)/2.5mA=35V/2.5mA=14KΩ。

 

使用10KΩ時(shí)，

PRshunt=(75V-9V)2/10KΩ=0.44W

所以應(yīng)使用至少1W的電阻器。

 

此外，控制器可以讓整個(gè)線電壓通過其自身。例如ISL6141可以通過線電壓，其額定值為100V。為了承受可能時(shí)長為1μs的200V瞬時(shí)電壓，必須添加一個(gè)瞬時(shí)電壓抑制器以保護(hù)控制器。添加瞬時(shí)電壓抑制器并不總是一件簡單的任務(wù)，因?yàn)橄到y(tǒng)工程師經(jīng)常不知道系統(tǒng)的最大瞬時(shí)電壓大小。

 

選擇Rsense

為了選擇Rsense的值，需要知道熱插拔電路所需的峰值電流。例如你正設(shè)立什么樣的電源？它必須提供多大的峰值功率？制造商建議使用什么輸入電容器或過濾器？

 

電路板將插入-48V背板中，所以要一個(gè)1.2V輸出和60A峰值負(fù)載或72W轉(zhuǎn)換器。和大多數(shù)電源制造商一樣，建議在電源的Vin(+)接腳和Vin(-)接腳之間加一個(gè)220μF電容器，輸入線電壓可以在-75V至-35V之間，制造商指定在60A負(fù)載時(shí)最大輸入電流為2.8A。另外你也可以自己運(yùn)算該電流，最大輸入電流出現(xiàn)于負(fù)載功率最大且輸入電壓最小時(shí)，即

 

IInput max=Pout max/(Vin min×η)

=72W/(36V×0.72)=2.8A

其中η是該線路和負(fù)載條件下的最差效率。

 

選擇MOSFET

根據(jù)要滿足的技術(shù)規(guī)格，ETSI ETS300 132-2(100V瞬時(shí)電壓持續(xù)100ms)或Bell Core Gr-513-CORE電信規(guī)格均可保證抵抗持續(xù)10ms-75V、持續(xù)10μs-100V和持續(xù)1μs-200V電涌。如果系統(tǒng)規(guī)格是承受100ms 100V電壓，則需選擇一個(gè)100V MOSFET，我們希望熱插拔MOSFET上的電壓降最小，同時(shí)使功率損失也最小。非故障條件下MOSFET的最大功率損失為：

 

P=Imax2×Rds(on)

如果考慮使用D2Pak封裝的NTB52N10，其額定值為100V BVDSS，則在Vgs=10V時(shí)最大Rds(on)為30mΩ。最大Pwr(on)損失

P=Ipk2×Rds(on)max=2.82×0.03=0.24W

 

短路時(shí)的安全性

負(fù)載短路時(shí)，全部Vin都加在MOSFET上。這是最糟糕的情況，電流只受MOSFET Rds(on)和熔斷絲電阻的限制。從控制器的技術(shù)規(guī)格出發(fā)，假定你正使用一個(gè)具有3μs傳播延遲的控制器，用于響應(yīng)故障并下拉MOSFET基淮以維持類比電流限制，則最壞情況下的電流為：

 

Ifaultworstcase=Vinmax/(Rds(on)+Rfuse)=75V/(0.030+0.035)=1154A
 

當(dāng)然，隨著MOSFET溫度上升，其Rds(on)也將上升，最后從MOSFET曲線的線性區(qū)移到飽和區(qū)，MOSFET將自行限制到180A左右，短路時(shí)的功率為：

 

Pwrshortcircuit=Vinmax×Imax=75V×180A=13,500W

 

現(xiàn)在市場上有很多熱插拔控制器出售，請密切注意所選擇的電流驅(qū)動(dòng)控制器的速度和驅(qū)動(dòng)能力。Rsense電路斷路器限制電壓設(shè)為可接受的電大輸入電流，同時(shí)必須檢查短路情況下MOSFET的最差結(jié)溫，它必須低于最大額定作業(yè)結(jié)溫以確保設(shè)計(jì)安全可靠。