如何為用于設備熱插拔選擇合適的 MOSFET器件

1.前言

當電源突然與其負載斷開時，電路寄生電感元件上的大電流擺動會產生劇烈的電壓尖峰，這可能對電路上的電子元件有害。與電池保護應用類似，這里的 MOSFET 用于將輸入電源與電路的其余部分隔離。然而，在這種情況下，FET 并不意味著立即切斷輸入和輸出之間的連接，而是限制那些破壞性電流浪涌的嚴重程度。這是通過控制器調節(jié)位于輸入電源 (V IN ) 和輸出電壓 (V OUT) 迫使 MOSFET 在飽和模式下運行，從而阻礙可以通過的電流量（見圖 1）。 

圖 1：簡化的熱插拔電路

2.選擇用于熱插拔的 MOSFET

首先，我們對該 FET 的首要考慮應該是選擇合適的擊穿電壓，通常是最大輸入電壓的 1.5 到 2 倍。例如，12V 系統(tǒng)傾向于實施 25V 或 30V FET，而 48V 系統(tǒng)傾向于實施 100V 或在某些情況下 150V FET。下一個考慮因素應該是 MOSFET 的安全工作區(qū) (SOA)——數據表中提供的一條曲線特別有用，可用于指示 MOSFET 在短功率浪涌期間變得熱失控的敏感程度，這與它在熱插拔應用中必須吸收的浪涌不同。

作為設計師，我們要問的關鍵問題是 FET 可能會看到（或預計會限制在輸出）的最大電流浪涌是多少，以及這種浪涌會持續(xù)多長時間。一旦知道了這一點，在器件數據表中的 SOA 圖上查找相應的電流和電壓差就相對簡單了。

例如，如果我們的設計具有 48V 輸入，并且我們希望將輸出電流限制在 8ms 內不超過 2A，我們可以參考 CSD19532KTT、CSD19535KTT 和 CSD19536KTT SOA 的 10ms 曲線（圖 2）并推斷出后兩個設備可能會工作，而 CSD19532KTT 則不夠用。但由于 CSD19535KTT 足夠好并有一定的余量，因此成本更高的 CSD19536KTT 的性能對于此應用可能有點過頭了。 

圖 2：三個不同的 100V D2PAK MOSFET 的 SOA

在上面的示例中，我假設環(huán)境溫度為 25?C，與數據表上測量 SOA 的條件相同。但是，如果最終應用可能會暴露在更熱的環(huán)境中，則必須根據較高的環(huán)境溫度與 FET 的最大結溫的接近程度，按比例降低 SOA。例如，假設終端系統(tǒng)的最高環(huán)境溫度為 70?C；我們可以使用公式 1 降低 SOA 曲線的額定值：

選擇用于熱插拔的 MOSFET

在這種情況下，CSD19535KTT 的 10ms、48V 能力將從 ~2.5A 降低到 ~1.8A。然后，我們會推斷該特定 FET 可能不再足以滿足此應用的需求，而是選擇 CSD19536KTT。

值得注意的是，這種降額方法假設 MOSFET 將在正好達到最大結溫時發(fā)生故障，但通常情況并非如此。假設在 SOA 測試中測量的故障點實際上發(fā)生在 200?C 或其他任意更高的值；計算出的降額將更接近于統(tǒng)一。也就是說，這種降額方法在保守方面是錯誤的。

SOA 還將規(guī)定我們選擇的 MOSFET 封裝類型。D2PAK 封裝可以容納大型硅芯片，因此它們非常適用于更高功率的應用。較小的 5mm x 6mm 和 3.3mm x 3.3mm 四方扁平無引線 (QFN) 封裝更適合低功率應用。對于小于 5 – 10A 的浪涌電流，FET 最常與控制器集成。

一些最后的警告：

· 雖然我在這里專門討論熱插拔應用，但我們可以將相同的 SOA 選擇過程應用于 FET 在飽和區(qū)工作的任何情況。我們甚至可以使用相同的方法為 OR-ing 應用、以太網供電 (PoE) 或什至電機控制等慢速開關應用選擇 FET，在這些應用中，MOSFET 轉向期間V DS和 I DS會出現大量重疊離開。

· 熱插拔是一種傾向于使用表面貼裝 FET 而不是通孔 FET（如 TO-220 或 I-PAK 封裝）的應用。原因是在短脈沖持續(xù)時間和熱失控事件中發(fā)生的加熱非常局部化。換句話說，從硅結到外殼的容性熱阻抗元件可防止熱量以足夠快的速度消散到板或散熱器中以冷卻結。結到外殼熱阻抗 (R θJC ) 是管芯尺寸的函數，很重要，但結到環(huán)境熱阻抗 (R θJA ) 是封裝、電路板和系統(tǒng)熱環(huán)境的函數，則不那么重要。出于同樣的原因，很少看到用于這些應用的散熱器。

· 設計人員通常假設目錄中電阻最低的 MOSFET 將擁有最強大的 SOA。這有一些邏輯——同一代硅中的較低電阻通常表示封裝內的硅芯片較大，這確實會產生更大的 SOA 能力和更低的結到外殼熱阻抗。然而，隨著硅世代在單位面積電阻 (RSP) 方面的改進，它們往往會增加單元密度。硅芯片內部的單元結構越密集，芯片就越容易受到熱失控的影響。這就是為什么具有更高電阻的老一代 FET 有時也具有更好的 SOA 性能的原因。結論是調查和比較 SOA 總是值得的。