热插拔保护电路设计及实例

节时间。选用的MOSFET能在指定的最长时间内承受一定的功率。MOSFET制造商使用如图3所示的图表标出这个范围，或称作安全工作区（SOA）。

　　图3 MOSFET SOA图

　　SOA 图所示的是漏源电压、漏极电流，以及MOSFET能够承受这一功耗的持续时间之间的关系。例如，图3中的MOSFET在10 V和85 A（850 W）条件下能承受1 ms，如果这一条件持续更长时间，则MOSFET可能损坏。定时器电路使用外部定时器电容来限制MOSFET经受这些最坏条件的时间。例如，如果定时器设置为1ms，当电流的持续时间超过1 ms的限制时，电路就会暂停，并关断MOSFET。

　　为了提供安全裕量，在ADM1177中，定时器的电流检测电压激活阈值被设置为92 mV，因此，当检测电压接近100 mV的额定值时，热插拔控制器就会开始计时。

　　设计实例

　　由于ADM1177等控制器的设计允许一定的灵活性，因此演示其在12 V热插拔设计实例中的应用是很有用的。在本例中，假设：

　　控制器为ADM1177

　　VIN = 12 V （±10%）

　　VMAX = 13.2 V

　　ITRIP = 30 A

　　CLOAD = 2000 μF

　　VON = 10 V （较好的开启控制器的电源电平）

　　IPOWERUP = 1 A （上电过程中所需的直流偏置电流）

　　为简化讨论，计算中不考虑器件容差效应。当然，在最坏条件的设计中，应当考虑这些容差。

　　ON 引脚

　　首先考虑在电源电压超过10 V的情况下使能控制器的情况。如果ON引脚的阈值为1.3 V，从VIN 到ON引脚的分压器比例应该设定为0.13:1。 为了保证准确性，选择电阻时应考虑到引脚的漏电。

　　由10 kΩ与1.5 kΩ构成的电阻分压器的分压比为0.130。

　　检测电阻的选择

　　检测电阻的选取应以开启定时器所需的负载电流为依据。

　　其中 VSENSETIMER = 92 mV.

　　检测电阻在30 A电流下消耗的最大功率为

　　因此，检测电阻应该能承受3W的功率。如果没有具有适当的额定功率或阻值的单个电阻，可以使用多个电阻并联来构成检测电阻。

　　负载电容充电时间

　　选择MOSFET之前必须确定负载电容充电所需的时间。在上电阶段，由于负载电容的浪涌电流效应，控制器通常会达到电流限制。如果TIMER引脚设置的时间不足以允许负载电容完成充电，那么MOSFET将被禁用，系统无法上电。我们可以使用下列公式来确定理想的充电时间：

　　其中 VREGMIN = 97 mV，是热插拔控制器的最小调节电压。

　　这个公式假定负载电流瞬时从0 A上升到30 A，这是一个理想情况。实际上，较大MOSFET的栅极电荷量QGS会限制栅极电压的压摆率，从而限制上电电流，因此，一定量的电荷会传输到负载电而不触发定时器功能。在图4中，具有较大QGS的MOSFET会导致定时器的工作时间短于具有较小QGS的MOSFET，前者为T1 ~ T3，而后者为T0 ~ T2。

　　图4、启动过程中QGS的影响

　　这是因为在T0和T1之间传输电荷的增加小于电流限制，因此实际时间小于计算所需的时间。这个数值难以定量，它取决于控制器栅极电流以及MOSFET的栅极电荷和电容。在某些情况下，它可能占到整个充电电流的30％，因此在设计中需要对其加以考虑，尤其是使用大MOSFET及大电流的设计。

　　在利用具有较小栅极电荷的MOSFET的设计中，可假设栅极电压的上升速度很快。这会导致从0 A到ITRIP的快速增加，从而引起不希望 的瞬变，在这种情况下，应使用软启动。

　　软启动

　　利用软启动，浪涌电流在软启电容设定的期间可以从零线性增加到满量程。通过逐步提高基准电流，能避免浪涌电流突然达到30 A的限制。需要注意的是，在软启过程中，电流处于调整过程中，因此，定时器从软启动开始之际就进入工作状态，如图5所示。

　　图5 软启动对定时器的影响

　　因此，推荐将软启动时间设定为不超过定时器总时间的10％~20％。例如，可以选择100 μs的时间。软启电容可由下式确定：

　　其中 ISS = 10 μA and VSS = 1 V.

　　MOSFET与定时器的选择

　　选择合适的MOSFET的第一步为选定VDS 和ID标准。对于12 V系统来说，VDS应为30 V或40 V，以处理可能损坏MOSFET的瞬变。MOSFET的 ID应远大于所需的最大值（参考图3的SOA图）。在大电流应用中，最重要的指标之一为MOSFET的导通电阻RDSON。较小的RDSON能确保MOSFET在正常工作时具有最小功耗，并在满负载条件下产生最少的热量。

　　对热量及功耗的考虑

　　因为必须要避免过热，因此，在考虑SOA指标与定时器选择之前，应该先考虑MOSFET在直流负载条件下的功耗。随着MOSFET温度的升高，额定功率将会减小或降额。此外，在高温下工作时，MOSFET的使用寿命会缩短。

　　前面提及热插拔控制器将在92 mV的最小检测电压下开启定时器。为了进行计算，我们需要知道不会触发定时器的最大允许直流电流。假设最坏条件下的VREGMIN 为97 mV，那么，

　　假设 MOSFET‘s 最大 RDSON is 2 mΩ，则功率为