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)問題,另一個(gè)是在電流流過時(shí)拔出器件承受感應(yīng)尖峰(inductive spike)的能力問題。本文介紹不采用高額定值的功率器件和短路引腳,而通過使用一個(gè)集成的熱插拔器件來解決這兩個(gè)問題。
典型的熱插拔控制器采用稱為斷路器(circuit breaker)的方案來保護(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,FET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)工程師推測來確定過流情況發(fā)生時(shí)間的長短。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,這種方法一般會使功率器件的尺寸過大。
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)。由于限流過程中會產(chǎn)生大量功耗,所以很容易超過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FET裸片區(qū)域的溫度。裸片溫度是防止FET出現(xiàn)各種熱過應(yīng)力(overstress)的一個(gè)變量。單個(gè)控制器和FET不能檢測裸片溫度,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應(yīng)力。這種解決方案可以保護(hù)FET,但是由于變量過多而且不了解個(gè)別精確信息,因此需要比實(shí)際所需的更大的FET。
>圖1：單片熱插拔器件的裸片布局該器件使用諸如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器件,這些二極管具有負(fù)溫度特性。測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對故障產(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)間延長時(shí)
