高精度熱插拔和電源監(jiān)控

這些電路常用于需要在整個(gè)工作壽命中保持完全正常工作狀態(tài)的系統(tǒng)，例如，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列(RAID)存儲(chǔ)器和其他形式的通信基礎(chǔ)設(shè)施，這些系統(tǒng)稱為高可用性系統(tǒng)。如果某個(gè)組件發(fā)生故障，則需要將其從系統(tǒng)中移除，并換上功能完全正常的組件，所有這些操作都需要在電源保持接通并且系統(tǒng)繼續(xù)工作的條件下完成，這一過(guò)程稱為“熱插拔”。

為了安全地執(zhí)行上述操作，需要利用熱插拔控制器來(lái)控制浪涌電流，并且防止為其他系統(tǒng)供電的背板電源斷電。在正常工作期間，控制器也能防范短路和其他過(guò)流故障。ADI公司最新系列熱插拔控制器還集成了高精度數(shù)字電源監(jiān)控器，支持高精度系統(tǒng)功率計(jì)量（見(jiàn)圖1）。

圖1 許多高功率系統(tǒng)需要使用熱插拔器件，以便安全地控制上電時(shí)的浪涌電流并提供故障保護(hù)

隨著這些系統(tǒng)的電源要求越來(lái)越高，效率變得更加重要，以前那種容忍寬松、插入功率損耗嚴(yán)重的設(shè)計(jì)越來(lái)越行不通。ADM1275不僅提供高精度電源監(jiān)控以報(bào)告系統(tǒng)功率，而且具有許多專門(mén)設(shè)計(jì)的特性，用以降低與熱插拔相關(guān)的典型損耗，如檢測(cè)電阻和MOSFET的插入損耗等。

下面我們將討論一個(gè)典型高電流刀片服務(wù)器熱插拔設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括器件選型考慮。

系統(tǒng)規(guī)格
本例假設(shè)如下條件：
● 控制器采用ADM1275
● VIN=12V（標(biāo)稱值）
● VMAX=12.6V
● ITRIP=70A
● CLOAD=5000mF
● TMAX=65℃
● RPOWERUP=10Ω（系統(tǒng)上電期間的靜態(tài)負(fù)載電阻）
為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，計(jì)算中未考慮許多器件容差。當(dāng)針對(duì)最差條件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮這些容差。

檢測(cè)電阻選擇
檢測(cè)電阻的選擇主要基于所需的斷路器動(dòng)作電流。然而，ADM1275也包括一個(gè)可調(diào)的限流閾值，允許將限流精調(diào)到有限的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)電阻值所提供的限值以上。檢測(cè)電壓可以在5～25mV范圍內(nèi)編程，如此低的檢測(cè)電壓和編程的靈活性使檢測(cè)電阻的功率損耗得以降低，尺寸得以減小。

斷路器定時(shí)器（電流故障尖峰濾波器）開(kāi)始點(diǎn)通常比調(diào)節(jié)點(diǎn)低0.8mV，這意味著若要設(shè)置70A(19.2mV)的跳變點(diǎn)，需要將調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為約73A (20mV)。

這不是一個(gè)常用值，考慮最接近的值0.25mΩ，用2個(gè)0.5mΩ電阻并聯(lián)得到。根據(jù)上面的等式反求所需的檢測(cè)電壓：VSENSE=RSENSE×ITRIP=0.25 mΩ×73≈18.25mV。ISET引腳可以利用一個(gè)分壓器從VCAP基準(zhǔn)電壓獲得所需的電壓（見(jiàn)圖2）。

圖2

VISET=VSENSE×50=18.3mV×50=0.915V
使用2.7V的VCAP基準(zhǔn)電壓，假設(shè)R1=100kΩ，由此可知底部電阻為51.1kΩ。給定的ISET電壓能夠提供大約70A的斷路器跳變點(diǎn)和73A的調(diào)節(jié)電流設(shè)定點(diǎn)。假設(shè)最差情況直流電流可能高達(dá)75A（包括允許的誤差），則各電阻的最大直流電流約為42A，包括大約10%的余量以應(yīng)對(duì)電流不平衡情況。因此，功率可以計(jì)算為：PRSENSE=ITRIP2×RSENSE=(42A)2×0.0005Ω=0.882W。每個(gè)檢測(cè)電阻應(yīng)能消耗1 W以上的功率（包括降溫因素），推薦使用2W或3W電阻以降低工作溫度。應(yīng)使用一系列10Ω電阻對(duì)所有這些節(jié)點(diǎn)求平均值，并將結(jié)果送至控制器。

本部分關(guān)鍵元件選擇小結(jié)：
RISET(TOP)=100kΩ
RISET(BOT)=51.1kΩ
RSENSEx=0.5mΩ×2(2/3W)
RAVGx=10Ω×4

MOSFET選擇
選擇適當(dāng)?shù)腗OSFET的首要條件是導(dǎo)通電阻RDSON規(guī)格，目的是確保MOSFET在正常工作中獲得全面增強(qiáng)時(shí)，MOSFET中的功率損耗最小。

ADM1275提供高壓柵極驅(qū)動(dòng)，確保實(shí)現(xiàn)最低10V的VGS，從而維持最低的額定RDSON。柵極驅(qū)動(dòng)電路在實(shí)現(xiàn)上述特性的同時(shí)，仍能確保在故障狀況下不違背最高20V的VGS要求。

當(dāng)MOSFET的溫度提高時(shí)，其功率額定值會(huì)降低，這稱為“減額”。RDSON規(guī)格決定MOSFET的最高結(jié)溫，因而也決定了可以應(yīng)用于SOA參數(shù)的減額。此外，MOSFET在高溫下工作可能會(huì)降低其可靠性。

我們首先估算所需的RDSON。如前所述，最差情況下的最大直流電流為75A，然后使用第一部分規(guī)定的最大環(huán)境溫度，我們可以估算MOSFET的功率損耗。

首先做出幾項(xiàng)假設(shè)：
● RthJA=40C/W（最大值）
● TjMAX=120℃
（這是最高首選結(jié)溫，與任何芯片限制都相去甚遠(yuǎn)）
計(jì)算結(jié)溫升高，然后計(jì)算單個(gè)FET的功率，接著計(jì)算總RDSON，對(duì)于單個(gè)FET，此數(shù)值太小，因此嘗試讓3個(gè)FET并聯(lián)，減去10%以便為布局不對(duì)稱引起的不平衡情況提供一些余量，再考慮1.4的系數(shù)以便支持一定的減額。
把這當(dāng)作目標(biāo)RDSON，據(jù)此查找合適的候選元件。查找范圍可以縮小為具有以下特性的FET：
● VDS=25/30V（20V是可能的選項(xiàng)，但不是首選）
● VGS=20V
● RDSON≤1.4mΩ
選定合適的MOSFET后，應(yīng)利用MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中RDSON與TJ的關(guān)系圖確定RDSON的減額量。

使用120℃的TjMAX，從圖3可以看出：在120℃時(shí)，RDSON提高約1.52倍，達(dá)到大約1.824mΩ（假設(shè)25℃時(shí)為1.2mΩ）。一般而言，最好使結(jié)溫低于120℃，以提高可靠性。假設(shè)MOSFET的最大RDSON為1.83mΩ，則各FET的功率為1.39W。

圖3

這是由MOSFET在環(huán)境溫度下的熱阻決定的，數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)給出這一參數(shù)。尺寸、氣流、鄰近的熱源和附加的銅也會(huì)對(duì)此值有影響，必須謹(jǐn)慎小心確保額定條件得到滿足。對(duì)于本設(shè)計(jì)，MOSFET的預(yù)期功耗約為1.39W，最差情況下，溫度升高為環(huán)境溫度增加55.6℃以上。因此，F(xiàn)ET的結(jié)溫可以通過(guò)下式確定：TJ=TA+T
該溫度低于選定的最大值120℃，因此應(yīng)當(dāng)能夠避免熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。并聯(lián)使用多個(gè)MOSFET時(shí)，各MOSFET的柵極應(yīng)串聯(lián)一個(gè)10Ω電阻，防止發(fā)生寄生振蕩。
本部分關(guān)鍵指標(biāo)/元件選擇小結(jié)：
QX=選定的1.2mΩ MOSFET
RthJA=40k/W
RGATE=10Ω(x3)

功率減額因數(shù)
確認(rèn)最高結(jié)溫后，現(xiàn)在我們就可以確定最大減額因數(shù)。此因數(shù)將用于所有SOA參數(shù)的減額，以便確認(rèn)該解決方案在整個(gè)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠。
減額因數(shù)可以通過(guò)下式計(jì)算：

本部分關(guān)鍵指標(biāo)/元件選擇小結(jié)：
DF=2.5

折返
ADM1275利用折返技術(shù)來(lái)保護(hù)MOSFET免受過(guò)流故障或短路影響。輸出電壓通過(guò)FLB引腳上的分壓器監(jiān)控，限流值基于MOSFET的VDS進(jìn)行調(diào)整。圖4所示為這種關(guān)系的一個(gè)示例。