利用保证的 SOA 在高电流热插拔应用中实现低导通电阻

本文作者

Dan Eddleman

凌力尔特   应用工程师

引言

在高电流背板应用中要求实现电路板的带电插拔，这就需要兼具低导通电阻 (在稳态操作期间) 和针对瞬态情况之高安全工作区 (SOA) 的 MOSFET。通常，专为拥有低导通电阻而优化的新式 MOSFET 并不适合高 SOA 热插拔应用。

LTC^®4234 是一款针对热插拔 (Hot Swap^TM) 应用的集成型解决方案，其允许电路板在带电背板上安全地插入和拔出。该器件把一个热插拔控制器、功率 MOSFET 和电流检测电阻器集成在单个封装中，以满足小型化应用的要求。对 MOSFET 的安全工作区进行了生产测试，并保证其能承受热插拔应用中的应力。

LTC4234 的 3.3mΩ 内部 MOSFET 和 0.7mΩ 检测电阻器可支持高达 20A 的负载电流。在该电流水平下，LTC4234 的功率耗散为：

P_D = I² · R = (20A)² · (3.3mΩ + 0.7mΩ) = 1.6W

对于期望实现较低功率耗散的应用，图 1 所示的电路增设了一个与 LTC4234 的内部 MOSFET 相并联的外部低电阻 MOSFET，旨在把功率耗散降至低于：

P_D = I² · R = (20A)² · ((3.3mΩ || 0.9mΩ) + 0.7mΩ) = 0.56W

在图 1 所示的 12V 应用中，LTC4234 的 MOSFET 处理的是高漏极至源极电压情况，此时 SOA 是一个主要的关注点。在正常操作期间，当漏极至源极电压较小时，一个 LTC4365 过压 / 欠压电源保护控制器将接通 M1 (其为 0.9mΩ Infineon BSC009NE2LS MOSFET) 以降低总功率耗散，同时实际上消除了对于 SOA 的担忧。

电路运作

在该电路中，LTC4365 在输入电压低于 13.5V 和输出电压高于 10.5V 时接通 M1。由于 M1 的漏极连接至 LTC4234 的 SENSE 引脚，因此所有的电流都流过 LTC4234 的内部 0.7mΩ 检测电阻器。一旦 LTC4234 下拉内部 MOSFET 栅极电压以限制输送至负载的功率，外部 MOSFET 的栅极也将通过低泄漏二极管 D1 (BAR18FILM) 下拉。二极管 D1 的用途是使 LTC4234 的内部 MSOFET 能够在 LTC4365 把外部 MOSFET 保持关断 (当 V_IN > 13.5V 或 V_OUT < 10.5V 时) 的情况下接通，同时仍然允许 LTC4234 的下拉电路随时将两个 MOSFET 全部关断。建议采用一个低泄漏二极管，以防止 LTC4365 的 GATE 下拉与 LTC4234 的 24µA GATE 上拉电流发生冲突，特别是在二极管漏电流最大的高温情况下。

图 1：具保证 SOA 的高电流、低导通电阻、12V 热插拔
 

图 2 中的示波器波形显示了当在输入端加电时的电路运行方式。很明显这是一种"阶段式启动"。首先，LTC4234 的内部 MOSFET 在 V_IN 上出现电源约 50ms 之后接通，输出电压开始上升。在此期间，当漏极至源极电压很大时，MOSFET SOA 是一个令人担忧的问题，MOSFET M1 处于断开状态。LTC4365 的 GATE (M1 的 GATE) 的缓慢上升是 LTC4365 内部箝位功能电路起作用的结果，该箝位电路负责限制 M1 的栅极至源极电压以保护 MOSFET 的栅极氧化层。在启动阶段结束且输出电压差不多等于输入电压之后，LTC4365 的 GATE 上升以接通外部 MOSFET。M1 起一个"旁路 FET"的作用，可减小从输入至输出的电阻。因此，LTC4234 的内部 3.3mΩ MOSFET 和外部 0.9mΩ MOSFET 在正常操作期间均得到了强化，从而与单单采用 LTC4234 相比功率耗散有所减少。

图 2：示波器波形

结论

利用这种方法，我们可以做到两全其美。LTC4234 简化了满足 SOA 要求的棘手任务，而一个专为拥有低导通电阻 (但未必高 SOA) 而优化的外部 MOSFET则降低了 DC 功耗。