热插拔可靠性的新标准

大多数热插拔系统都有一些内在的故障机理，一个是功率FET 的安全工作区(SOA)问题，另一个是在电流流过时拔出器件承受感应尖峰(inductive spike)的能力问题。本文介绍不采用高额定值的功率器件和短路引脚，而通过使用一个集成的热插拔器件来解决这两个问题。
      
典型的热插拔控制器采用称为断路器(circuit breaker)的方案来保护电路及其FET。该方法使用双电平限流使器件能在浪涌电流下工作，并在发生短路时仍可快速关断。在这类电路中，FET 处于开或关状态。这是一种行之有效的保护连接电路和功率FET 的方法，但是需要电路设计工程师推测来确定过流情况发生时间的长短。这种方法也比其它方法更可能引起跳闸。由于与保护FET 相关的不确定性，这种方法一般会使功率器件的尺寸过大。
      
一个替代的方法是在浪涌发生时将FET 用作线性限流器件，其优点在于可以保护连接电路并更能承受浪涌，缺点则是必须小心谨慎，以避免超出FET 的安全工作区。由于限流过程中会产生大量功耗，所以很容易超过SOA 限制。功率MOSFET 的安全工作区一般由规定了器件可以承受特定时间的最大允许电压和电流组合的图表表示。
      
使用单片控制器和FET 可以直接检测FET 裸片区域的温度。裸片温度是防止FET 出现各种热过应力(overstress)的一个变量。单个控制器和FET 不能检测裸片温度，而必须考虑漏极到源极的电压范围、大概的漏极电流以及脉冲持续时间和FET 热路径的范围以防止功率器件热过应力。这种解决方案可以保护FET，但是由于变量过多而且不了解个别精确信息，因此需要比实际所需的更大的FET。
        
该器件使用诸如NIS5101 的混合解决方案，可以承受任何电压和电流(不超过最大器件电压额定值)且仍处于其SOA 范围之内。图1 显示该器件的典型裸片布局。数个正向偏压二极管用作温度检测器件，这些二极管具有负温度特性。测量正向压降并与参考电压相比较，以确定器件是否已达到其135℃的最高温度。

该电路需要几微秒来对故障产生响应。该器件的封装为D2PAK，其热时间常数约为200ms。时间延迟使最高温度最多仅可超过跳闸点几度，这取决于器件的功耗。在跳闸点和裸片最大额定值之间有40 度的容限，所以不会存在损坏裸片的危险。选择135℃的最高温度，以保持引脚温度为105℃或更低，从而确保故障时间延长时，电路板不会遭受热损坏。该电路可以以迟滞模式来限制温度-不固定地在135℃和95℃之间进行转换(自动重试模式)，  或者在达到135℃极限时可以闭锁。
      
我们使器件短路20 秒并去除负载15 秒，对40 个样品进行测试。10,000 个短路周期之后，并未发生故障。因为电路使用了自动重试器件且提供给FET 的功率约为250 瓦，电路热量在20 秒短路中循环多次。这就在测试器件中总共进行了8 亿次热循环。
      
许多热插拔解决方案因功率FET 电压的上升或下降时间缓慢而发生故障。在这一阶段产生大量的功耗，所以在许多设计中很可能超过功率FET 的SOA。由于SMART HotPlug(智能热插拔)器件中使用热保护方案，FET 不会因打开或闭合时的缓慢变化而损坏。在最糟糕的情况下，器件只要达到其热极限就会关断。

图2 显示了当负载电容(4,200uF)充电时，电流达到其限制电平并保持恒定。8ms 之后，FET 裸片达到其最高温度且器件关断。10ms 之后，裸片温度下降到95℃且器件重新工作。这将持续4 个周期，直至电容完全充电。请注意每个导电周期逐步延长，这是因为FET 中的功率下降。电流保持不变，但是漏极到源极的电压下降，因此功率下降。

当器件从系统中拔出，而电流正通过该器件时，将产生另一种故障模式。当电源转换器发生短路且将其拔去时，会发生这种情况，拔去器件会因为系统电感中存储的电能可产生很大的应力。现在一些热插拔控制器使用带外部电阻的并联稳压器保护芯片，但这种解决方案因为需要外部功率电阻，增加了系统成本。其它系统使用短路引脚，这也增加了系统的复杂度。
      
采用分立半导体工艺来设计热插拔器件，由于其几何尺寸较大，因而提供了更为坚固的解决方案，这个单片器件可以承受更高的能量，因为它建立在较大的几何尺寸的半导体工艺上，而不是较小尺寸的模拟工艺，而且功率器件吸收了大部分感应能量。
      
SMART HotPlug 器件针对为非钳位感应尖峰(UIS)进行了测试和评估。NIS5101 可以承受感应电能，因为系统电感处于100uH 至10mH 之间，电感的大小取决于拔出时的电流大小。