MOSFET安全工作區對熱插拔應用的意義-KIA MOS管

即使是在插入和拔出電路板和卡進行維修或者調整容量時，任務關鍵的伺服器和通信設備也必須能夠不間斷工作。熱插拔控制器 IC 通過軟啟動電源，支持從正在工作的系統中插入或移除電路板，從而避免了出現連接火花、背板供電干擾和電路板卡復位等問題。

控制器 IC 驅動與插入電路板之電源相串聯的功率 MOSFET 開關 (圖 1)。電路板插入后，MOSFET 開關緩慢接通，這樣，流入的浪涌電流對負載電容充電時能夠保持在安全水平。

MOSFET SOA 熱插拔

圖1：可插入電路板的熱插拔控制器

CONNECTORS：連接器

BACKPLANE：背板

HOT SWAP CONTROLLER：熱插拔控制器

當熱插拔電路出現故障時，薄弱環節一般在 MOSFET 開關上，因而可能會損害或破壞熱插拔控制器。MOSFET 出現故障常見的原因是在選件時沒有重視其安全工作區 (SOA)。

相反，選擇 MOSFET 時主要考慮了電阻 (RDS(on)) 上漏-源極以及最大漏極電流 (ID(max))。或者，新設計基于負載電容較小的老款設計，同樣的 MOSFET 能夠很好的工作。

大部分功率 MOSFET 針對低 RDS(on) 和快速開關進行了優化，很多電源系統設計師習慣面向這些特性來選擇 MOSFET，而 MOSFET 在顯著時間于高損耗開關狀態下過渡，卻在電路忽略了 SOA。

在 MOSFET 制造商參數選擇表中沒有 SOA，它并不能幫助。即使是注意到 SOA，由于 SOA 數據通常是基于計算而不是測試數據，因此，應用的降額或余量并不明顯。

MOSFET安全工作區

SOA 是對 MOSFET 在脈沖和 DC 負載時功率處理能力的衡量。在 MOSFET 產品手冊的圖表中進行了闡述，如圖 2 的實例所示。其 x 軸是 MOSFET 漏-源極電壓 (VDS)，而 y 軸是漏極電流 (ID)；兩個軸都使用了對數坐標。

在這張圖中，直線 (每一條代表不同的 tP) 表示恒定 MOSFET 功率。每條線代表了 MOSFET 在某一脈沖寬度 tP 時允許的功耗，tP 的范圍在微秒至無窮大 (DC)。

例如，圖中顯示了對于 10ms 脈沖，MOSFET 漏-源極上有 5V 電壓，流過的電流為 50A，計算得到功耗是 250W。同樣脈沖寬度下較低的功耗保證了安全 MOSFET 工作，圖中標注為 10ms 線下面的區域，這就是 “安全工作區”。

圖的兩端是由接通電阻、漏-源極擊穿電壓、和最大脈沖漏極電流決定。

MOSFET SOA 熱插拔

圖 2：PSMN3R4-30BLE N 溝道 MOSFET 的安全工作區

為什么SOA對于熱插拔應用非常重要?

電路中采用的大部分功率 MOSFET 都能夠快速接通和關斷，以納秒的時間處于高損耗轉換狀態。在這類應用中，SOA 并不是主要問題。

相反，SOA 對于熱插拔電路是非常重要，提供了輸入浪涌電流控制 (軟啟動)、限流和電路斷路器功能。要理解這一點，請看熱插入電路板的啟動波形 (圖 3a)。

當電路板插入到 12V 背板電源時，熱插拔控制器等待連接器接觸反彈完成，隨后軟啟動 MOSFET 柵極。然后，輸出電壓跟隨并在 40ms 內達到 12V。在這一軟啟動期間，會有 200mA 的電容充電電流流過 MOSFET，而其漏-源極電壓從 12V (= 12VIN ? 0VOUT) 幾乎降至 0V (= 12VIN ? 12VOUT)。

在負載上出現短路時 (圖 3b)，控制器將 MOSFET 上的電流限制在 6A，電壓為12V (= 12VIN ? 0VOUT)。這一 72W 功耗狀態持續 1.2ms，直至電路斷路器定時器計時結束。

在啟動浪涌和限流等狀態中，需要熱插拔 MOSFET 處理持續數百微秒至數十毫秒的顯著功耗，應注意其 SOA 性能。

MOSFET SOA 熱插拔