不一樣的熱插拔控制器

圖1 LM5069熱插拔控制器

控制器

圖1所示為LM5069熱插拔控制器。當(dāng)浪涌電流流經(jīng)傳感電阻器(Rsns)時會被感測到，而控制器只會容許一個預(yù)定的最大電壓通過Rsns。假如電壓增加并超過這個最大電壓值時，控制器便會調(diào)整柵極電壓，使其維持最大值電流一定的時間。電流限制所容許的最長時間取決于故障檢測電流、故障閾值和外加電容器，并且通過計時器(TIMER)引腳來編程。一旦TIMER到達故障的閾值，控制器便會關(guān)閉柵極，同時輸出會脫離系統(tǒng)的輸入電壓。系統(tǒng)欠壓和過壓會分別經(jīng)由UVLO和OVLO引腳上的電阻分壓器而檢測。這個組件可驗證輸入電壓是處于指定范圍，還是高出欠壓閾值或低于過壓閾值。假如輸入電壓在指定范圍以外，那柵極便會關(guān)閉。

電源正常引腳(PGD)是一個開放漏極輸出。當(dāng)輸出(VOUT)還有幾伏便到達輸入(VIN)時，開放漏極下拉器件便會被關(guān)閉，而PGD會上拉到VOUT電軌。PGD輸出可以用來標(biāo)簽下游電路以表示VOUT電壓“正?！?。PWR引腳上的電阻會決定通過FET的最大功率極限。下文中我們還會詳細(xì)討論這個功能。

圖2所示為一個只可限制電流的熱插拔控制器，除了過壓和功率限制功能以外，它具備所有LM5069的功能。

圖2 只有電流限制的熱插拔控制器

MOSFET安全運行范圍（SOA）

在熱插拔或短路故障期間控制電流時，外置MOSFET必須保持在SOA范圍內(nèi)以防止FET發(fā)生故障。圖3所示為Vishay的SUM40N15-38 場效應(yīng)管的SOA曲線。從圖中可見，它的最大漏源極電壓VDS為110V，而在低VDS時，電流會被FET的RDS(on)所限制。圖中所見隨時間量度出來的曲線便是FET的最大能量極限。

在SOA曲線上可以畫出一條直線(圖3中的紅線)來表示只有電流限制的控制器。在正常運作時(即VDS低)，電流會被限制到最大5A，而FET亦會在SOA范圍以內(nèi)?？墒?，當(dāng)VDS較大時，控制器的限制仍停留在相同的電流極限，而根據(jù)編程故障時間的長短，F(xiàn)ET有可能走出SOA范圍以外。例如，假如系統(tǒng)的背板電壓是50V，電流限制設(shè)置成5A和編程故障時間為40ms時，輸出短路便可能導(dǎo)致FET的運作脫離SOA范圍(圖3中的紅線)。

圖3 SUM40N15-38的SOA曲線

圖4中的藍(lán)色曲線表示同時具有電流和功率限制功能的LM5069。其編程電流限制被設(shè)置成5A，而功率限制則被設(shè)置成50W，至于故障時間再一次被編程到40ms。現(xiàn)在，當(dāng)50V的輸出發(fā)生短路時，組件將不會再在電流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50V×1A=50W)。這時，F(xiàn)ET將仍然在10ms的SOA曲線下面，防止FET發(fā)生故障(圖3中的藍(lán)色虛線)。同樣地，當(dāng)一個熱插拔發(fā)生在50V輸出時，功率限制模式將會把FET維持在SOA范圍以內(nèi)(圖3中的藍(lán)色虛線)。當(dāng)VDS10V時，組件將會進入電流限制模式，并全程為輸出提供所需的電流負(fù)載，以將FET保持在SOA以內(nèi)。LM5069的功率限制功能只會當(dāng)通過FET的功率意圖超越50W的編程限制時才會啟動，否則它只通過電流限制功能來控制FET。

圖4 電流和功率限制控制和安全運作范圍

試驗數(shù)據(jù)

在實驗中，同時為LM5069和電流限制控制器準(zhǔn)備應(yīng)用電路板。兩個組件都同樣具備50V的輸入、5A的電流限制和40ms的故障時間。不過，LM5069則多了一個50W的功率限制功能。兩個應(yīng)用電路板最后都通過一個負(fù)載電阻器將輸出設(shè)成短路，從而增加VDS。

圖5所示為電流限制控制器件的波形。輸出負(fù)載將VDS增加到30V。起初，電流被限制在5A，但經(jīng)過10ms后，F(xiàn)ET出現(xiàn)故障并且輸入電壓到輸出電壓發(fā)生短路。輸入電壓阻止并限制電流達到電源的電流極限。即使計時器到達40ms的時限，都不能關(guān)閉柵極，因為FET已遭損毀。查看SOA曲線，會發(fā)現(xiàn)FET在VDS=50V和IDS=5A時只能忍耐一個10ms脈沖的時間。一旦FET因電流限制控制器而超過10ms時，那FET便會發(fā)生故障(圖8中的紅色虛線)。

圖5 電流限制控制器的波形

正如圖6所示，輸出負(fù)載將VDS增加到45V，同時LM5069將流通FET的功率限制在50W。一旦計時器到達故障閾值，那組件便會關(guān)閉FET。在這個短路的情況下，LM5069能夠有效的在SOA曲線的范圍內(nèi)控制FET(圖8的藍(lán)色虛線)。

圖6 LM5069 的波形

圖7 LM5069 的純電流限制

為了展示LM5069的多功能性，圖7表示出一個純電流限制的情況。在這個情況下，輸出負(fù)載導(dǎo)致電流增加，但幅度不太大,故不足使VDS增加。LM5069以電流限制的模式運作，并把電流限制在5A。當(dāng)過了40ms的編程故障時間后，F(xiàn)ET便會被關(guān)閉。同樣，LM5069將FET控制在SOA范圍以內(nèi)(圖8中的綠色虛線)。

圖8 Vishay SUM40N15-38 SOA

結(jié)論

具有電流限制能力的熱插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出現(xiàn)災(zāi)難性故障。為了防止FET超出SOA范圍，用戶需要選用比較大型的FET和散熱器以獲得可靠的故障保護。LM5069將具有編程能力的功率和電流限制能力結(jié)合在一起，所以無須使用大型的外置FE也能把FET維持在SOA的安全范圍內(nèi)。