面向熱插拔應(yīng)用的MOSFET

熱插拔電路主要用于高可用性系統(tǒng)，例如數(shù)據(jù)中心和電信基礎(chǔ)設(shè)施。在高可用性系統(tǒng)中采用熱插拔電路時(shí)，即使需要更換或添加組件以維持系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)也不會(huì)中斷運(yùn)行。

對(duì)于電信服務(wù)器應(yīng)用而言，高功率和高冗余至關(guān)重要，此時(shí)就需要熱插拔控制器來調(diào)控浪涌電流。在電信服務(wù)器應(yīng)用中，背板終端電壓主流為48V和12V。在典型的12V背板系統(tǒng)中，由冗余電源組成，每個(gè)電源通過Oring MOSFET與并聯(lián)的熱插拔模塊相連。MOSFET在熱插拔應(yīng)用中扮演著核心角色； 本文將依據(jù)ADI公司的12V ADM1278熱插拔電路評(píng)估MOSFET的行為。

圖1顯示熱插拔過程中通常會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流（可達(dá)數(shù)百安培），用于給輸出電容充電，這就要求MOSFET在線性工作模式下具備強(qiáng)大的SOA能力。

圖｜多模塊電信服務(wù)器熱插拔應(yīng)用

當(dāng)熱插拔模塊（如圖2所示）插入12V背板時(shí)，控制器的GATE引腳會(huì)向MOSFET的柵極以及外部的Rgate和Cgate提供恒定的24uA電流Ig。一旦GATE電壓達(dá)到MOSFET的閾值電壓VT，由于GATE引腳與Vout節(jié)點(diǎn)之間的Cgs電壓將保持不變,Ig僅會(huì)對(duì)外部的Cgate和MOSFET內(nèi)部的Crss進(jìn)行充電。這與開關(guān)電源中MOSFET的密勒平臺(tái)效應(yīng)相似。

圖｜熱插拔電路原理圖

輸出電容CL所引起的浪涌電流Iin可由下列方程（1、2）表示：其中'n'代表并聯(lián)的MOSFET數(shù)量。

與傾向于低Qgd的開關(guān)電源應(yīng)用不同，在熱插拔應(yīng)用中，較大的Qgd有助于減小浪涌電流。另一方面，浪涌電流還取決于并聯(lián)MOSFET的數(shù)量、輸出電容CL的值以及負(fù)載電流。并聯(lián)MOSFET越少，輸出電容越大，則MOSFET承受的浪涌電流應(yīng)力越大。以下是不同情況下AOS熱插拔評(píng)估板上的測(cè)試波形。圖3a顯示，較大的CL會(huì)導(dǎo)致更大的浪涌電流（綠色曲線），而圖3b則表明，并聯(lián)MOSFET數(shù)量的增加會(huì)減少總浪涌電流（綠色曲線）。

圖3a｜空載及不同輸出CL下的啟動(dòng)波形對(duì)比

圖3b｜空載、相同CL 50μF、不同并聯(lián)數(shù)MOSFET的啟動(dòng)波形對(duì)比

電信-服務(wù)器熱插拔應(yīng)用通常涉及較大供電電流；因此，低Rdson的MOSFET是最優(yōu)選擇。為了確保系統(tǒng)在啟動(dòng)和短路條件下的穩(wěn)健性，MOSFET在線性工作模式下承受高電壓和電流應(yīng)力時(shí)，需要有較大的安全工作區(qū)（SOA）。

圖4顯示，由于相對(duì)較大的Crss，AONS32310的浪涌電流低于競(jìng)品。這有利于放寬系統(tǒng)對(duì)浪涌電流的限制設(shè)置，而較低的Rdson意味著更高的整體效率。即便輸出電容值和輸入電壓增加，AONS32310仍能正常工作，而同類競(jìng)品則無法工作。

圖 4｜空載、相同CL 70μF的啟動(dòng)波形對(duì)比

圖5重現(xiàn)了一種最惡劣情況：MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)且溫度達(dá)到100°C的熱平衡點(diǎn)。此時(shí)，熱插拔控制器會(huì)進(jìn)行復(fù)位，重新開啟MOSFET，而MOSFET處于較高溫度（100°C）。

圖5｜在100°C暗室中相同50μF CL的空載啟動(dòng)波形對(duì)比

這些最惡劣條件測(cè)試結(jié)果表明了：與競(jìng)品相比，AOS的MOSFET在熱插拔應(yīng)用中更加穩(wěn)健可靠。由于MOSFET上耗散的能量幾乎等于輸出CL中儲(chǔ)存的能量，AOS建議使用下面方程來評(píng)估SOA能力的穩(wěn)健性。

另一方面，如果采用相同的浪涌電流限制，AONS32100將表現(xiàn)出與競(jìng)品C幾乎相同的啟動(dòng)波形，但需調(diào)整外部的Cgate和Rgate。在熱插拔應(yīng)用中，Ciss不會(huì)影響線性模式下的柵極電壓。MOSFET已完全導(dǎo)通，柵極電壓的最小延遲不會(huì)影響系統(tǒng)的效率和性能。

即使是頂級(jí)MOSFET也無法承受故障條件，比如幾秒鐘的輸出短路。因此，熱插拔控制器需要通過檢測(cè)電流和電壓應(yīng)力來盡快關(guān)斷MOSFET。Analog Devices的ADM1278具備過流和過功率保護(hù)功能。在過功率情況下，控制器不會(huì)關(guān)斷MOSFET，直至故障定時(shí)器電壓達(dá)到1V的故障閾值。該定時(shí)器可根據(jù)MOSFET的SOA設(shè)定，讓設(shè)計(jì)人員能夠靈活選擇符合系統(tǒng)需求的MOSFET，并避免在啟動(dòng)和瞬態(tài)期間不必要的關(guān)斷。圖6展示了一系列基于AOS評(píng)估板的OCP和OPP事件。從波形可以看出，在最壞情況下，AONS32100在線性工作模式下可以承受42A / 9V超過20ms的短路故障。

圖6｜短路條件及保護(hù)

目前，為滿足社會(huì)發(fā)展日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求和網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性要求，數(shù)據(jù)中心、電信基礎(chǔ)設(shè)施和存儲(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)器正朝著更高功率密度、更高效率、增強(qiáng)冗余和容錯(cuò)能力和安全性等方向發(fā)展。熱插拔技術(shù)對(duì)于保持服務(wù)器的持續(xù)運(yùn)行和減少停機(jī)時(shí)間至關(guān)重要，尤其是在需要24/7不間斷服務(wù)的環(huán)境中。對(duì)于即使在最惡劣情況下也要確保高可用性的熱插拔應(yīng)用，選擇穩(wěn)健的MOSFET至關(guān)重要。高SOA和低Rdson有助于提高效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

針對(duì)服務(wù)器48V輸入電壓的熱插拔和緩啟動(dòng)的應(yīng)用需求，AOS 特別優(yōu)化了MOSFET的電氣性能及封裝，即將正式推出TOLL封裝的解決方案-AOTL66935，其具有高度強(qiáng)壯的線性模式區(qū)SOA能力，以及1.9mΩ Rds(on)_max的低導(dǎo)通電阻，可減少功率損耗和散熱需求，符合日益嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn); 同時(shí)TOLL 封裝也能夠進(jìn)一步提升散熱性能，有更高的可靠性，耐用性強(qiáng)，適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在服務(wù)器環(huán)境中。