热插拔保护电路设计及实例

数据手册中会给出MOSFET在常温下的热电阻。封装尺寸及附加的铜引线会对其具有一定影响。假设

　　由于 MOSFET需要消耗2.1W的功率，最坏条件下，温度可能将上升到高于室温126°C：

　　降低这个数值的一种方法是并联使用两个或更多的MOSFET，这样能有效降低RDSON，从而降低MOSFET的功耗。使用两个MOSFET时，假设电流在器件间均匀匹配（允许一定的容差），那么每个MOSFET的温度升高最大值为32°C。下式给出了每个MOSFET的功耗：

　　假设室温TA = 30°C，再加上这个温度上升值，那么每个MOSFET的最大温度为62°C。

　　MOSFET SOA考虑

　　下一步需要检查SOA图，以选择合适的能工作在最坏条件的MOSFET。在短路到地的最坏条件下，可假设VDS等于 VMAX，为 13.2V，这是将MOSFET源极拉到地时MOSFET上能产生的最大电压。在调节阶段，最坏条件将取决于数据手册中热插拔控制器调节点的最大值，这个值为103 mV。于是，电流可根据下式进行计算：

　　在与MOSFET SOA图进行比较之前，我们需要考虑MOSFET的温度降额，因为SOA是以室温（TC = 25°C）下的数据为基础的。首先计算TC = 25°C下的功耗：

　　其中 RthJC 可由MOSFET数据手册得到。

　　现在对TC = 62°C进行同样的计算：

　　因此，1.42的降额因数可通过如下计算得到：

　　这需要被应用于图3的MOSFET SOA图中。为了反映出调节过的额定功率，需要把表示施加最大功率的时间值的对角线向下平移。我们先使用1 ms线来举例说明这条曲线的原理。例如，在这条线上取一点，如（20 A、40 V），这点的功率为800 W，应用降额公式：

　　在40 V，降额后的功率所对应的电流为14 A，在SOA图上这点将确定新的62°C降额后的1 ms线。使用同样的办法可确定新的10 ms以及100 μs线。新线在图6中以红色示出。

　　图6、包含62°C降额后功率限制的SOA图

　　选择定时器电容

　　SOA中新的降额线可用于重新计算定时器的参数值。沿IMAX ≈ 35A 画一条水平线，沿VMAX = 13.2 V画一条垂直线（淡蓝色的线），并确定它们与红色线的交叉点。这些交叉点示出1 ms与10 ms之间的某个时间，也许是2 ms。在对数坐标图的小范围内，一般很难获取准确的数值，因此要进行慎重的选择，要考虑到这些选择对性能以及价格等其它标准的影响，确保留有足够的容差。

　　前 面提到对负载进行充电的时间约为850 μs。由于软启动时间是由线性斜坡决定的，与阶跃变化相比，要花费更长的时间来对负载电容充电。为了估算总的电荷量，如果使用软启动，假设需要在计算时间的基础上加上软启动时间的一半，于是，在850 μs上加软启动时间的一半（50 μs），得到总时间约为900 μs。如果所选的MOSFET具有较大的栅极电荷（比如≥80 nC），如前所述，这个时间需要进一步缩小。如果对负载充电的时间小于最大SOA时间，MOSFET就是合适的。在这个例子中，MOSFET符合标准 （0.9 ms《2 ms）。

　　小于2 ms的定时器值足以保护MOSFET，大于0.9 ms则足够对负载充电。如果选择的时间恒定为1 ms，那么电容可通过下式进行计算：

　　其中 ITIMER = 60 μA 和 VTIMER = 1.3 V，

　　使用并联MOSFET时，对定时器的计算不会变。重要的是应使用单个MOSFET设计定时器及短路保护，原因是在一组MOSFET中，VGSTH会有显著差异，因此在调整过程中，需要使用单个MOSFET处理较大的电流。

　　完成热插拔设计

　　图7所示的是具有正确参数值的并联MOSFET热插拔设计。ADM1177热插拔控制器还能执行其它功能。它集成了片上ADC，可用于将电源电压和负载电流转换为数字数据，以通过I2C总线读出，提供全集成的电流及电压检测功能。

　　图7、完整的参考设计