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◆ 美国国家半导体产品设计工程师/Neil Gutierrez
引言
热插拔(hot swapping)的定义是从一块正在通电运作中的背板(backplane)上插入或移除电路板。这项技术被广泛应用在电信服务器(telecom servers)、USB界面、火线(firewire)界面 和 CompactPCI应用等 [参考1]。这种技术可在维持系统背板的电压下，更换发生故障的电路板，而同时系统中其它正常的电路板仍可保持运作。然而，在工作中的背板上进行热插拔时，最危险之处便在于电路板上的电容器，因为它们可能只提供一个很低的阻抗路径(impedance path)给电源，因此可能产生大的突波电流(inrush current)。突波电流将会损毁电路板上的电容、导线和连接器。此外，系统电压亦可能会因突波电流而下降到系统重启临界值以下，导致其它连接着背板的电路板被重新启动。
热插拔控制器的设计原理，是利用控制一个外加FET(图1)来限制突波电流。此外，在输出短路到接地或发生剧烈负载瞬时时的故障情况下，此控制器亦可限制电流。设计人员在选择一个合适的FET时，通常都认为只要该FET能抵受DC电流负载和最大输入电压便足够。但如果当问题发生在控制器，而该控制器又是唯一可控制电流的组件时，此类控制器在任何的操作条件下都无法确保FET处于安全操作范围(SOA)内。本文将比较两种控制器，一种仅具备电流限制的控制能力，而另一种则是同时拥有功率和电流限制控制能力的热插拔控制器，例如美国国家半导体的LM5069。文中将展示不管在正常工作或者是短路故障情形下，只要将电流和功率限制的功能结集一起，就能够确保FET在SOA的范围内。
控制器
图1所示为LM5069热插拔控制器。当突波电流流经感测电阻器(Rsns)时会被感测到，而控制器将只会容许一个预定的最大电压通过Rsns。假如电压增加并超过这个最大电压值时，控制器便会调整闸极电压以维持电流处于该极限，而此极限电流会维持一段有限的时间，至于电流限制所容许的最长时间会因应故障检测电流、故障临界值和外加电容器来决定，并且通过定时器(TIMER)接脚来编程。一旦TIMER到达故障的临界值，控制器便会关闭闸极，同时输出会脱离系统的输入电压。系统欠压和过压会分别经由UVLO和OVLO接脚上的电阻分压器检测。这个组件可验证输入电压是处于指定范围，还是在欠压临界值以上或过压临界值以下。假如输入电压在指定范围以外，闸极便会关闭。电源正常接脚(PGD)是一个开汲极(Open Drain)输出。当输出(VOUT)还有几伏便到达输入(VIN)时，开汲极接地型电阻组件(open drain pull down device)便会被关闭，而PGD会上拉到VOUT电轨。PGD输出可以用来指示下游电路以表示VOUT电压正处于“正常”。PWR接脚上的电阻会决定通过FET的最大功率极限，稍后将再详细讨论此一功能。
图2所示为只可限制电流的热插拔控制器，除了过压和功率限制功能以外，它具备所有LM5069的功能。
当在热插拔事件或短路故障期间控制电流时，外建MOSFET必须保持在SOA范围内以防止FET发生故障。图3是Vishay的SUM40N15-38 场效应管的SOA曲线[参考2]，图中可见它的最大漏极到源极电压(Vds)为110V，而在低的Vds时，电流会被FET的rDS(on)所限制。图中所见随时间量度出来的曲线便是FET的最大能量极限。
在SOA曲线上可以画出一条直线(图3中的红线)来表示只有电流限制的控制器。在正常操作时(即Vds低)，电流会被限制到最大5A，而FET亦会在SOA范围以内。可是，当Vds较大时，控制器的限制仍停留在相同的电流极限，而根据编程故障时间的长短，FET有可能走出SOA范围以外。例如，假如系统的背板电压是50V，电流限制设置成5A和编程故障时间为40ms时，输出短路便可能导致FET的操作脱离SOA范围(图3中的红线)。
图4中的蓝色曲线表示同时结合有电流和功率限制功能的LM5069。当中组件的编程电流限制被设定成5A，而功率限制则被设置成50W，至于故障时间再一次被编程到40ms。现在，当50V的输出发生短路时，组件将不会再在电流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50Vx1A=50W)。这时，FET将仍然在10ms的SOA曲线下面，防止FET发生故障(图3中的蓝色虚线)。同样地，当一个热插拔事件发生在50V输出时，功率限制模式将会把FET维持在SOA范围以内(图3中的蓝色虚线)。当Vds <10V时，组件将会进入电流限制模式，并全程为输出提供所需的电流负载，以将FET保持在SOA以内。LM5069的功率限制功能只会当通过FET的功率意图超越50W的编程限制时才会启动，否则它只会通过电流限制功能来控制FET。
实测结果
在实验中，LM5069和电流限制控制器电路板的实测波形都同样地具备有50V的输入、5A的电流限制和40ms的故障时间，而LM5069则多了一个50W的功率限制功能。两个应用电路板最后都通过一个负载电阻器将输出设成短路，从而使得Vds增加。
图5所示为电流限制控制组件的波形。输出负载将Vds增加到30V。在最初时，电流被限制在5A，但经过10ms后，FET出现故障并且输入电压短路到输出电压。输入电压阻止和将电流限制在电源的电流极限。即使定时器到达40ms的时限，但都不能关闭闸极，原因是FET已遭损毁。查看SOA曲线，会发现FET在Vds = 50V 和 Ids = 5A时只能承受一个10ms脉冲的时间，一旦FET因电流限制控制器而超过10ms时， FET便会发生故障(图9中的红色虚线)。
正如图6所示，输出负载将Vds增加到45V，同时LM5069将流通FET的功率限制在50W。一旦定时器到达故障临界值，组件便会关闭FET。在这个短路的情况下，LM5069能够有效地在SOA曲线的范围内控制FET(图8的蓝色虚线)。
图7展示了在纯电流限制的情况下，LM5069表现出多功能性。在这个情况下，输出负载导致电流增加，但幅度不大所以不会使Vds增加。LM5069以电流限制的模式操作，并把电流限制在5A。当过了40ms的编程故障时间后，FET便会被关闭。同样地，LM5069将FET控制在SOA范围以内(图8中的绿色虚线)。
结论
具备电流限制能力的热插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出现严重故障。为了防止FET超出SOA范围，用户需要选用比较大型的FET和散热器以便得到可靠的故障保护。LM5069结合了具有编程能力的功率及电流限制能力，所以无需使用大型的外建FET，就能把FET维持在SOA的安全范围内。
引言
热插拔(hot swapping)的定义是从一块正在通电运作中的背板(backplane)上插入或移除电路板。这项技术被广泛应用在电信服务器(telecom servers)、USB界面、火线(firewire)界面 和 CompactPCI应用等 [参考1]。这种技术可在维持系统背板的电压下，更换发生故障的电路板，而同时系统中其它正常的电路板仍可保持运作。然而，在工作中的背板上进行热插拔时，最危险之处便在于电路板上的电容器，因为它们可能只提供一个很低的阻抗路径(impedance path)给电源，因此可能产生大的突波电流(inrush current)。突波电流将会损毁电路板上的电容、导线和连接器。此外，系统电压亦可能会因突波电流而下降到系统重启临界值以下，导致其它连接着背板的电路板被重新启动。
热插拔控制器的设计原理，是利用控制一个外加FET(图1)来限制突波电流。此外，在输出短路到接地或发生剧烈负载瞬时时的故障情况下，此控制器亦可限制电流。设计人员在选择一个合适的FET时，通常都认为只要该FET能抵受DC电流负载和最大输入电压便足够。但如果当问题发生在控制器，而该控制器又是唯一可控制电流的组件时，此类控制器在任何的操作条件下都无法确保FET处于安全操作范围(SOA)内。本文将比较两种控制器，一种仅具备电流限制的控制能力，而另一种则是同时拥有功率和电流限制控制能力的热插拔控制器，例如美国国家半导体的LM5069。文中将展示不管在正常工作或者是短路故障情形下，只要将电流和功率限制的功能结集一起，就能够确保FET在SOA的范围内。
控制器
图1所示为LM5069热插拔控制器。当突波电流流经感测电阻器(Rsns)时会被感测到，而控制器将只会容许一个预定的最大电压通过Rsns。假如电压增加并超过这个最大电压值时，控制器便会调整闸极电压以维持电流处于该极限，而此极限电流会维持一段有限的时间，至于电流限制所容许的最长时间会因应故障检测电流、故障临界值和外加电容器来决定，并且通过定时器(TIMER)接脚来编程。一旦TIMER到达故障的临界值，控制器便会关闭闸极，同时输出会脱离系统的输入电压。系统欠压和过压会分别经由UVLO和OVLO接脚上的电阻分压器检测。这个组件可验证输入电压是处于指定范围，还是在欠压临界值以上或过压临界值以下。假如输入电压在指定范围以外，闸极便会关闭。电源正常接脚(PGD)是一个开汲极(Open Drain)输出。当输出(VOUT)还有几伏便到达输入(VIN)时，开汲极接地型电阻组件(open drain pull down device)便会被关闭，而PGD会上拉到VOUT电轨。PGD输出可以用来指示下游电路以表示VOUT电压正处于“正常”。PWR接脚上的电阻会决定通过FET的最大功率极限，稍后将再详细讨论此一功能。
图2所示为只可限制电流的热插拔控制器，除了过压和功率限制功能以外，它具备所有LM5069的功能。
当在热插拔事件或短路故障期间控制电流时，外建MOSFET必须保持在SOA范围内以防止FET发生故障。图3是Vishay的SUM40N15-38 场效应管的SOA曲线[参考2]，图中可见它的最大漏极到源极电压(Vds)为110V，而在低的Vds时，电流会被FET的rDS(on)所限制。图中所见随时间量度出来的曲线便是FET的最大能量极限。
在SOA曲线上可以画出一条直线(图3中的红线)来表示只有电流限制的控制器。在正常操作时(即Vds低)，电流会被限制到最大5A，而FET亦会在SOA范围以内。可是，当Vds较大时，控制器的限制仍停留在相同的电流极限，而根据编程故障时间的长短，FET有可能走出SOA范围以外。例如，假如系统的背板电压是50V，电流限制设置成5A和编程故障时间为40ms时，输出短路便可能导致FET的操作脱离SOA范围(图3中的红线)。
图4中的蓝色曲线表示同时结合有电流和功率限制功能的LM5069。当中组件的编程电流限制被设定成5A，而功率限制则被设置成50W，至于故障时间再一次被编程到40ms。现在，当50V的输出发生短路时，组件将不会再在电流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50Vx1A=50W)。这时，FET将仍然在10ms的SOA曲线下面，防止FET发生故障(图3中的蓝色虚线)。同样地，当一个热插拔事件发生在50V输出时，功率限制模式将会把FET维持在SOA范围以内(图3中的蓝色虚线)。当Vds <10V时，组件将会进入电流限制模式，并全程为输出提供所需的电流负载，以将FET保持在SOA以内。LM5069的功率限制功能只会当通过FET的功率意图超越50W的编程限制时才会启动，否则它只会通过电流限制功能来控制FET。
实测结果
在实验中，LM5069和电流限制控制器电路板的实测波形都同样地具备有50V的输入、5A的电流限制和40ms的故障时间，而LM5069则多了一个50W的功率限制功能。两个应用电路板最后都通过一个负载电阻器将输出设成短路，从而使得Vds增加。
图5所示为电流限制控制组件的波形。输出负载将Vds增加到30V。在最初时，电流被限制在5A，但经过10ms后，FET出现故障并且输入电压短路到输出电压。输入电压阻止和将电流限制在电源的电流极限。即使定时器到达40ms的时限，但都不能关闭闸极，原因是FET已遭损毁。查看SOA曲线，会发现FET在Vds = 50V 和 Ids = 5A时只能承受一个10ms脉冲的时间，一旦FET因电流限制控制器而超过10ms时， FET便会发生故障(图9中的红色虚线)。
正如图6所示，输出负载将Vds增加到45V，同时LM5069将流通FET的功率限制在50W。一旦定时器到达故障临界值，组件便会关闭FET。在这个短路的情况下，LM5069能够有效地在SOA曲线的范围内控制FET(图8的蓝色虚线)。
图7展示了在纯电流限制的情况下，LM5069表现出多功能性。在这个情况下，输出负载导致电流增加，但幅度不大所以不会使Vds增加。LM5069以电流限制的模式操作，并把电流限制在5A。当过了40ms的编程故障时间后，FET便会被关闭。同样地，LM5069将FET控制在SOA范围以内(图8中的绿色虚线)。
结论
具备电流限制能力的热插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出现严重故障。为了防止FET超出SOA范围，用户需要选用比较大型的FET和散热器以便得到可靠的故障保护。LM5069结合了具有编程能力的功率及电流限制能力，所以无需使用大型的外建FET，就能把FET维持在SOA的安全范围内。