熱插拔電路的過(guò)熱保護(hù)方案性能比較

針對(duì)熱插拔電路所實(shí)行的過(guò)熱保護(hù)方案，本文將討論一種超越目前在分離式熱插拔電路中采用斷路器和NTC熱敏電阻的全新解決方案，提供最可靠的過(guò)熱保護(hù)，并比較它和傳統(tǒng)方法在性能上的優(yōu)勢(shì)。

在分布式電源系統(tǒng)、高可用性服務(wù)器、磁盤陣列以及帶電插卡等應(yīng)用上需要采用熱插拔保護(hù)電路。這些電路提供限制浪涌電流并防止短路的功能，以消除在將卡插入底板時(shí)因總線故障、過(guò)載或短路而造成停止工作的損失。沒(méi)有可靠的熱插拔電路，像電信服務(wù)器這種高可用性服務(wù)器將不能工作。

熱插拔保護(hù)電路需要結(jié)合控制電路和電源組件。將這些功能集成在一塊單芯片電路上，可以節(jié)省成本并增加諸如電流限制以及過(guò)熱保護(hù)等分離器件方案所不可能具備的重要功能。

斷路器解決方案

采用斷路器為分離式熱插拔電路提供過(guò)熱保護(hù)，是一種常用的方案。分離式熱插拔電路通常由一顆控制器、一顆單獨(dú)的功率FET、一顆功率感應(yīng)電阻以及一些零散的偏壓器件構(gòu)成。圖1為一個(gè)采用斷路器來(lái)提供過(guò)熱保護(hù)的典型分離式熱插拔電路的電路圖。這種熱插拔電路很復(fù)雜，其實(shí)現(xiàn)成本很高，并有一些固有的問(wèn)題。

圖1：采用斷路器提供過(guò)熱保護(hù)的典型離散過(guò)熱保護(hù)電路。

非集成熱插拔電路的一個(gè)主要問(wèn)題就是在短路和過(guò)載情況下的過(guò)熱保護(hù)問(wèn)題。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，該熱插拔電路必須承受不能超過(guò)功率FET的節(jié)溫。采用斷路器的做法這一點(diǎn)很難達(dá)到，因?yàn)楣β蔉ET的結(jié)溫是估計(jì)而不是測(cè)量得到的。

圖1 所示的電路中，斷路器結(jié)合了限流的功能。它采用線性工作模式對(duì)FET進(jìn)行偏置，使電流在一定的周期或時(shí)間內(nèi)保持不變。也就是說(shuō)，斷路器只有在500μs限流被啟動(dòng)后才動(dòng)作。每當(dāng)感應(yīng)電阻的壓降大于500mV時(shí)，限流就被啟動(dòng)。因此，功率FET的電流被限制在500mV/Rsense。

如果我們采用一個(gè)32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一個(gè)5mΩ的感應(yīng)電阻，在短路時(shí)FET的電流將被限制在10A，超過(guò)500μs斷路器就會(huì)關(guān)閉FET。圖2顯示-48V應(yīng)用中的短路波形。

在該功率FET初始溫度為85℃的情況下，如果采用圖2中的電流和電壓，該FET在短路時(shí)的結(jié)溫可以用公式1來(lái)計(jì)算：

這里Tj為結(jié)溫，TC為外殼溫度，PD為FET功率消耗RθJC(t)為瞬態(tài)熱阻，結(jié)面到外殼間有500μs的脈沖。

圖2：斷路器短路波形。

計(jì)算出的結(jié)溫非常接近功率FET(NTB52N10T4)的額定溫度上限Tj(150℃)，如果外殼溫度發(fā)生一個(gè)很小的變化，很容易便超過(guò)了它。

這正是為什么斷路器解決方案通常需要進(jìn)行過(guò)設(shè)計(jì)(over-designed)的主要原因。這對(duì)于在短路時(shí)使用較大的FET或并行的FET配置來(lái)避免過(guò)熱很重要，這會(huì)大大增加熱插拔電路整體的系統(tǒng)成本。此外，周圍溫度和氣流無(wú)法控制得很好，以及在短時(shí)間內(nèi)存在多個(gè)瞬時(shí)脈沖的應(yīng)用，也很難準(zhǔn)確估計(jì)功率FET的結(jié)溫。

NTC熱敏電阻解決方案

一些提供商建議采用熱敏電阻作為給熱插拔電路提供過(guò)熱保護(hù)的另一種方案。熱敏電阻是一種電阻隨其自身溫度的變化而變化的電子器件，這些器件不是具有正電阻溫度系數(shù)(PTC器件)，就是具有負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC器件)。

一些提供商建議在熱插拔電路中使用的NTC熱敏電阻，由金屬氧化物構(gòu)成，最常用的氧化物為錳、鎳、鈷、鐵、銅和鈦氧化物。制造商用的NTC熱敏電阻采用基本的陶瓷技術(shù)，與幾十年前的沒(méi)多大差別。

圖3：采用NTC熱敏電阻進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)的典型離散熱插拔電路。

圖3 為一種典型的分離式熱插拔電路的原理圖，它采用NTC熱敏電阻來(lái)進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。NTC熱敏電阻應(yīng)當(dāng)放置于離功率FET盡可能近(例如放在板的背面)。圖3 所示的電路熱保護(hù)的基本工作原理是，控制器ON引腳的電壓與NTC熱敏電阻上的溫度成反比，即隨著NTC熱敏電阻溫度的增加，ON引腳的電壓降低。熱敏電阻上的溫度與功率FET外殼的溫度直接成正比。

這種方法看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它在采用NTC熱敏電阻來(lái)提供過(guò)熱保護(hù)時(shí)具有幾個(gè)固有的問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題就是，在NTC熱敏電阻上出現(xiàn)足夠高溫度(85℃)而需要降低控制器ON引腳的電壓到臨界值(0.6V)以下前，功率FET結(jié)的最大溫度很容易被超過(guò)。這是因?yàn)镹TC熱敏電阻上的溫度完全取決于功率FET外殼溫度(TC)所傳遞的熱量，而FET的結(jié)溫不僅取決于外殼溫度和功耗，還取決于系統(tǒng)溫度的升高，這由周圍溫度、銅線面積、氣流和其它許多因素決定。

容錯(cuò)性問(wèn)題也影響到NTC熱敏電阻和ON信號(hào)啟動(dòng)電壓，這些錯(cuò)誤可以導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉溫度發(fā)生顯著的變化。

如果我們采用和圖3電路相同的FET NTB52N10T4，對(duì)于一個(gè)12V、電流上限為10A的系統(tǒng)，可以計(jì)算出功率FET在超過(guò)結(jié)最大溫度150℃前，發(fā)生短路時(shí)外殼的最大溫度：

那么

圖4：集成智能型熱插拔技術(shù)中NIS5101器件的功能框圖。

這表明該功率FET所允許的最大外殼溫度為66℃。因此，不可能采用圖3所示的電路來(lái)提供功率FET的過(guò)熱保護(hù)，因?yàn)閳D3的溫度臨界值為85℃。

盡管可以采用一些方法來(lái)改變圖3中電路的溫度臨界值，但即使有可能，也很難對(duì)功率FET進(jìn)行可靠的過(guò)熱保護(hù)。這不僅在于影響熱傳輸?shù)絅TC熱敏電阻的所有因素和條件，還因?yàn)檫@種做法在達(dá)到限流的一段時(shí)間后，并沒(méi)有定時(shí)電路來(lái)關(guān)閉功率FET。

集成智能熱插拔技術(shù)

智能型熱插拔(SMART HotPlug)集成電路技術(shù)將控制功能和功率SENSEFET集成到單芯片上，從而節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間并降低整個(gè)熱插拔應(yīng)用中所需要的器件數(shù)目。其設(shè)計(jì)允許在一個(gè)48V底板上對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行安全的插入和拔出。該芯片的特點(diǎn)是既使用簡(jiǎn)單，又是集成的解決方案。圖4為NIS5101組件的電路方塊圖。

該集成器件包括用戶可選擇的欠壓和過(guò)壓保護(hù)級(jí)，以及一個(gè)可調(diào)的啟動(dòng)限流，利用一個(gè)電阻就可將電流從最大值向下調(diào)。它還集成了一個(gè)內(nèi)部過(guò)熱保護(hù)電路，從而大大增加了短路和過(guò)載情況下該器件的可靠性。

NIS5101器件的過(guò)熱保護(hù)電路提供了獨(dú)一無(wú)二的熱功能，它可以在短路和過(guò)載情況下保護(hù)功率SENSEFET。該電路通過(guò)內(nèi)部感應(yīng)二極管來(lái)感應(yīng)SENSEFET的結(jié)溫，這些二極管特意地放置在功率SENSEFET的活躍區(qū)域。

圖5：SENSEFET與熱關(guān)斷電路。


如果超過(guò)了最大結(jié)溫，該過(guò)熱保護(hù)電路會(huì)從SENSEFET將柵極驅(qū)動(dòng)移除，此做法將使器件因關(guān)斷而受到保護(hù)。圖5表示過(guò)熱保護(hù)電路的簡(jiǎn)單原理圖。當(dāng)結(jié)溫增加，感應(yīng)二極管的正向電壓下降，從而觸發(fā)比較器，因此功率SENSEFET的柵極驅(qū)動(dòng)關(guān)斷。

過(guò)熱保護(hù)電路在結(jié)溫達(dá)到135℃時(shí)便會(huì)動(dòng)作，確保功率SENSEFET不會(huì)超過(guò)最大結(jié)溫，并且引腳溫度(105℃左右)不會(huì)損壞PCB。集成智能插拔技術(shù)具有兩種可選的過(guò)熱保護(hù)：自動(dòng)重試和閉鎖(latch-off)類型。

自動(dòng)重試類型存在一個(gè)額定的40℃的遲滯現(xiàn)象。因此，在一次過(guò)熱保護(hù)后，當(dāng)溫度降致由遲滯現(xiàn)象所決定的安全級(jí)時(shí)將自動(dòng)重啟。至于閉鎖類型，一旦器件達(dá)到了結(jié)溫極限135℃，它將一直保持關(guān)斷直到輸入電源再次被使用為止。

此新型過(guò)熱保護(hù)電路的關(guān)鍵之處就是功率SENSEFET的結(jié)溫是通過(guò)實(shí)際測(cè)量而不是估計(jì)的。由于該電路所提供的過(guò)熱保護(hù)不受其它次要因素，如瞬時(shí)脈沖、周圍溫度、系統(tǒng)氣流以及銅線面積的影響，使其非?？煽考胺€(wěn)固。

本文結(jié)論

盡管所有的解決方案都對(duì)熱插拔電路提供了過(guò)熱保護(hù)，每種方案在可靠性和穩(wěn)固性程度方面都有相當(dāng)大的差別。短路和過(guò)載會(huì)對(duì)系統(tǒng)總線電壓產(chǎn)生顯著的影響，如果熱插拔電路對(duì)這些情況不能適當(dāng)控制，可能在某些情況下導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在短路和過(guò)載條件下不超過(guò)熱插拔電路中功率FET額定的結(jié)溫，讓系統(tǒng)總線電壓上產(chǎn)生問(wèn)題的可能性降到最小，這是最關(guān)鍵的一點(diǎn)。