不一样的热插拔控制器

        热插拔的定义是在带电运行的背板中插入或移除电路板。热插拔技术已被广泛应用到电信服务器、USB接口、火线(firewire)和CompactPCI中。这种技术可在维持系统背板的电压下，更换发生故障的电路板，并保证系统中其他正常的电路板仍可保持运作。在工作中的背板上进行热插拔时，最大的风险在于电路板上的电容器会给电源造成一个低阻抗路径，从而引发大的浪涌电流。浪涌电流可以损毁电路板上的电容、导线和连接器。此外，系统电压亦可能会因浪涌电流而下降到系统重置阈值以下，使得其他连接着背板的电路板也无故重置。 

        热插拔控制器通过控制一个外加FET(见图1)来限制浪涌电流。此外，这个控制器可在输出短路到接地或发生大型负载瞬变的情况下对电流做出限制。设计人员在FET时，通常都认为只要该FET能抵受DC电流负载和最大输入电压便足够。可是，如果控制器发生故障并且该控制器又是唯一可控制电流的器件，那这类控制器在任何的操作条件下都不能确保FET处于安全运作范围(SOA)内。本文将比较两类控制器，一类只具备有电流限制的控制能力，而另一类是可同时拥有功率和电流限制的控制能力热插拔控制器，如美国国家半导体的LM5069。

    图1  LM5069热插拔控制器

控制器 

       图1所示为LM5069热插拔控制器。当浪涌电流流经传感电阻器(Rsns)时会被感测到，而控制器只会容许一个预定的最大电压通过Rsns。假如电压增加并超过这个最大电压值时，控制器便会调整栅极电压，使其维持最大值电流一定的时间。电流限制所容许的最长时间取决于故障检测电流、故障阈值和外加电容器，并且通过计时器(TIMER)引脚来编程。一旦TIMER到达故障的阈值，控制器便会关闭栅极，同时输出会脱离系统的输入电压。系统欠压和过压会分别经由UVLO和OVLO引脚上的电阻分压器而检测。这个组件可验证输入电压是处于指定范围，还是高出欠压阈值或低于过压阈值。假如输入电压在指定范围以外，那栅极便会关闭。 

        电源正常引脚(PGD)是一个开放漏极输出。当输出(VOUT)还有几伏便到达输入(VIN)时，开放漏极下拉器件便会被关闭，而PGD会上拉到VOUT电轨。PGD输出可以用来标签下游电路以表示VOUT电压"正常"。PWR引脚上的电阻会决定通过FET的最大功率极限。下文中我们还会详细讨论这个功能。 

         图2所示为一个只可限制电流的热插拔控制器，除了过压和功率限制功能以外，它具备所有LM5069的功能。

         图2  只有电流限制的热插拔控制器

MOSFET安全运行范围（SOA） 

        在热插拔或短路故障期间控制电流时，外置MOSFET必须保持在SOA范围内以防止FET发生故障。图3所示为Vishay的SUM40N15-38 场效应管的SOA曲线。从图中可见，它的最大漏源极电压VDS为110V，而在低VDS时，电流会被FET的RDS(on)所限制。图中所见随时间量度出来的曲线便是FET的最大能量极限。 

        在SOA曲线上可以画出一条直线(图3中的红线)来表示只有电流限制的控制器。在正常运作时(即VDS低)，电流会被限制到最大5A，而FET亦会在SOA范围以内。可是，当VDS较大时，控制器的限制仍停留在相同的电流极限，而根据编程故障时间的长短，FET有可能走出SOA范围以外。例如，假如系统的背板电压是50V，电流限制设置成5A和编程故障时间为40ms时，输出短路便可能导致FET的运作脱离SOA范围(图3中的红线)。

图3  SUM40N15-38的SOA曲线 

         图4中的蓝色曲线表示同时具有电流和功率限制功能的LM5069。其编程电流限制被设置成5A，而功率限制则被设置成50W，至于故障时间再一次被编程到40ms。现在，当50V的输出发生短路时，组件将不会再在电流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50V×1A=50W)。这时，FET将仍然在10ms的SOA曲线下面，防止FET发生故障(图3中的蓝色虚线)。同样地，当一个热插拔发生在50V输出时，功率限制模式将会把FET维持在SOA范围以内(图3中的蓝色虚线)。当VDS<10V时，组件将会进入电流限制模式，并全程为输出提供所需的电流负载，以将FET保持在SOA以内。LM5069的功率限制功能只会当通过FET的功率意图超越50W的编程限制时才会启动，否则它只通过电流限制功能来控制FET。

图4  电流和功率限制控制和安全运作范围

试验数据 

        在实验中，同时为LM5069和电流限制控制器准备应用电路板。两个组件都同样具备50V的输入、5A的电流限制和40ms的故障时间。不过，LM5069则多了一个50W的功率限制功能。两个应用电路板最后都通过一个负载电阻器将输出设成短路，从而增加VDS。 

       图5所示为电流限制控制器件的波形。输出负载将VDS增加到30V。起初，电流被限制在5A，但经过10ms后，FET出现故障并且输入电压到输出电压发生短路。输入电压阻止并限制电流达到电源的电流极限。即使计时器到达40ms的时限，都不能关闭栅极，因为FET已遭损毁。查看SOA曲线，会发现FET在VDS=50V和IDS=5A时只能忍耐一个10ms脉冲的时间。一旦FET因电流限制控制器而超过10ms时，那FET便会发生故障(图8中的红色虚线)。

图5  电流限制控制器的波形

        正如图6所示，输出负载将VDS增加到45V，同时LM5069将流通FET的功率限制在50W。一旦计时器到达故障阈值，那组件便会关闭FET。在这个短路的情况下，LM5069能够有效的在SOA曲线的范围内控制FET(图8的蓝色虚线)。

图6  LM5069 的波形

图7  LM5069 的纯电流限制

      为了展示LM5069的多功能性，图7表示出一个纯电流限制的情况。在这个情况下，输出负载导致电流增加，但幅度不太大,故不足使VDS增加。LM5069以电流限制的模式运作，并把电流限制在5A。当过了40ms的编程故障时间后，FET便会被关闭。同样，LM5069将FET控制在SOA范围以内(图8中的绿色虚线)。

图8  Vishay SUM40N15-38 SOA

结论 

        具有电流限制能力的热插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出现灾难性故障。为了防止FET超出SOA范围，用户需要选用比较大型的FET和散热器以获得可靠的故障保护。LM5069将具有编程能力的功率和电流限制能力结合在一起，所以无须使用大型的外置FE也能把FET维持在SOA的安全范围内。