利用保证的 SOA 在高电流热插拔应用中实现低导通电阻

引言 ~~

在高电流背板应用中要求实现电路板的带电插拔,这就需要兼具低导通电阻 (在稳态操作期间) 和针对瞬态情况之高安全工作区 (SOA) 的 MOSFET。通常,专为拥有低导通电阻而优化的新式 MOSFET 并不适合高 SOA 热插拔应用。

LTC®4234 是一款针对热插拔 (Hot Swap) 应用的集成型解决方案,其允许电路板在带电背板上安全地插入和拔出。该器件把一个热插拔控制器、功率 MOSFET 和电流检测电阻器集成在单个封装中,以满足小型化应用的要求。对 MOSFET 的安全工作区进行了生产测试,并保证其能承受热插拔应用中的应力。

LTC4234 的 3.3mΩ 内部 MOSFET 和 0.7mΩ 检测电阻器可支持高达 20A 的负载电流。在该电流水平下,LTC4234 的功率耗散为:

PD = I2 · R = (20A)2 · (3.3mΩ + 0.7mΩ) = 1.6W

对于期望实现较低功率耗散的应用,图 1 所示的电路增设了一个与 LTC4234 的内部 MOSFET 相并联的外部低电阻 MOSFET,旨在把功率耗散降至低于:

PD = I2 · R = (20A)2 · ((3.3mΩ || 0.9mΩ) + 0.7mΩ) = 0.56W

在图 1 所示的 12V 应用中,LTC4234 的 MOSFET 处理的是高漏极至源极电压情况,此时 SOA 是一个主要的关注点。在正常操作期间,当漏极至源极电压较小时,一个 LTC4365 过压 / 欠压电源保护控制器将接通 M1 (其为 0.9mΩ Infineon BSC009NE2LS MOSFET) 以降低总功率耗散,同时实际上消除了对于 SOA 的担忧。

电路运作

在该电路中,LTC4365 在输入电压低于 13.5V 和输出电压高于 10.5V 时接通 M1。由于 M1 的漏极连接至 LTC4234 的 SENSE 引脚,因此所有的电流都流过 LTC4234 的内部 0.7mΩ 检测电阻器。一旦 LTC4234 下拉内部 MOSFET 栅极电压以限制输送至负载的功率,外部 MOSFET 的栅极也将通过低泄漏二极管 D1 (BAR18FILM) 下拉。二极管 D1 的用途是使 LTC4234 的内部 MSOFET 能够在 LTC4365 把外部 MOSFET 保持关断 (当 VIN > 13.5V 或 VOUT < 10.5V 时) 的情况下接通,同时仍然允许 LTC4234 的下拉电路随时将两个 MOSFET 全部关断。建议采用一个低泄漏二极管,以防止 LTC4365 的 GATE 下拉与 LTC4234 的 24µA GATE 上拉电流发生冲突,特别是在二极管漏电流最大的高温情况下。

 

Figure 1: 12V Hot Swap with Guaranteed SOA

 

图 1:具保证 SOA 的高电流、低导通电阻、12V 热插拔

 



 

图 2 中的示波器波形显示了当在输入端加电时的电路运行方式。很明显这是一种“阶段式启动”。首先,LTC4234 的内部 MOSFET 在 VIN 上出现电源约 50ms 之后接通,输出电压开始上升。在此期间,当漏极至源极电压很大时,MOSFET SOA 是一个令人担忧的问题,MOSFET M1 处于断开状态。LTC4365 的 GATE (M1 的 GATE) 的缓慢上升是 LTC4365 内部箝位功能电路起作用的结果,该箝位电路负责限制 M1 的栅极至源极电压以保护 MOSFET 的栅极氧化层。在启动阶段结束且输出电压差不多等于输入电压之后,LTC4365 的 GATE 上升以接通外部 MOSFET。M1 起一个“旁路 FET”的作用,可减小从输入至输出的电阻。因此,LTC4234 的内部 3.3mΩ MOSFET 和外部 0.9mΩ MOSFET 在正常操作期间均得到了强化,从而与单单采用 LTC4234 相比功率耗散有所减少。

 

 

Figure 2: Oscilloscope Waveform

 

图 2:示波器波形

结论

利用这种方法,我们可以做到两全其美。LTC4234 简化了满足 SOA 要求的棘手任务,而一个专为拥有低导通电阻 (但未必高 SOA) 而优化的外部 MOSFET则降低了 DC 功耗。

 

作者

Gabino-Alonso-Blue

Gabino Alonso

Gabino Alonso目前是Power by Linear™部门的营销经理。加入ADI公司之前,Gabino在凌力尔特、德州仪器、加州理工州立大学和卡布利洛学院担任过营销、工程、运营和教育方面的不同职位。他拥有加州大学圣巴巴拉分校电子和计算机工程硕士学位。

Dan-Eddleman

Dan Eddleman

Dan Eddleman是一名模拟工程师,在凌力尔特工作超过15年,曾担任过IC设计人员、新加坡IC设计中心经理和应用工程师。

他的职业生涯始于凌力尔特,设计了LTC2923和LTC2925电源跟踪控制器、LTC4355高压双通道理想二极管OR和LTC1546多协议收发器。他还是世界首款以太网供电控制器LTC4255的设计团队成员。他拥有两项与这些产品相关的专利。

随后,他搬到新加坡管理凌力尔特的新加坡IC设计中心,负责设计产品的工程师团队,产品包括热插拔控制器、过压保护控制器、DC/DC开关模式电源控制器、电源监视器和超级电容器充电器。

回到米尔皮塔斯总部后,Dan作为应用工程师创建了Linduino,这是一个兼容Arduino的硬件平台,用于演示凌力尔特基于I2C和SPI的产品。Linduino可以方便地向客户分配C固件,同时也为凌力尔特的客户提供了简单的快速原型制作平台。

此外,在其担任应用工程师期间,他构思出了LTC2644/LTC2645 PWM至VOUT DAC,并开发了基于XOR的地址转换器电路,用于LTC4316/LTC4317/LTC4318 I2C/SMBUS地址转换器。他申请了与这两种产品相关的专利。Dan还开发了个多个参考设计,可满足较高的MIL-STD-1275 28V军用车辆规格要求。

Dan继续研究MOSFET的安全工作区,创建软件工具并在凌力尔特内部举办与SOA相关的培训课程。借助使用LTspice分配的SOAtherm模型,客户可以使用具有Spirito失控特性的热模型在其热交换电路仿真中仿真MOSFET SOA。

他拥有斯坦福大学电气工程硕士学位以及加州大学戴维斯分校电气工程与计算机工程学士学位。