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熱插拔電路的過熱保護(hù)方案性能比較

發(fā)布時(shí)間:2010-08-19

中心議題:
  • 斷路器解決方案
  • NTC熱敏電阻解決方案
  • 集成智能熱插拔技術(shù)
解決方案:
  • 保護(hù)電路需要結(jié)合控制電路和電源組件
  • 使用較大的FET或并行的FET
  • 采用NTC熱敏電阻來進(jìn)行過熱保護(hù)
針對熱插拔電路所實(shí)行的過熱保護(hù)方案,本文將討論一種超越目前在分離式熱插拔電路中采用斷路器和NTC熱敏電阻的全新解決方案,提供最可靠的過熱保護(hù),并比較它和傳統(tǒng)方法在性能上的優(yōu)勢。

在分布式電源系統(tǒng)、高可用性服務(wù)器、磁盤陣列以及帶電插卡等應(yīng)用上需要采用熱插拔保護(hù)電路。這些電路提供限制浪涌電流并防止短路的功能,以消除在將卡插入底板時(shí)因總線故障、過載或短路而造成停止工作的損失。沒有可靠的熱插拔電路,像電信服務(wù)器這種高可用性服務(wù)器將不能工作。

熱插拔保護(hù)電路需要結(jié)合控制電路和電源組件。將這些功能集成在一塊單芯片電路上,可以節(jié)省成本并增加諸如電流限制以及過熱保護(hù)等分離器件方案所不可能具備的重要功能。

斷路器解決方案

采用斷路器為分離式熱插拔電路提供過熱保護(hù),是一種常用的方案。分離式熱插拔電路通常由一顆控制器、一顆單獨(dú)的功率FET、一顆功率感應(yīng)電阻以及一些零散的偏壓器件構(gòu)成。圖1為一個(gè)采用斷路器來提供過熱保護(hù)的典型分離式熱插拔電路的電路圖。這種熱插拔電路很復(fù)雜,其實(shí)現(xiàn)成本很高,并有一些固有的問題。


圖1:采用斷路器提供過熱保護(hù)的典型離散過熱保護(hù)電路。

非集成熱插拔電路的一個(gè)主要問題就是在短路和過載情況下的過熱保護(hù)問題。當(dāng)發(fā)生短路時(shí),該熱插拔電路必須承受不能超過功率FET的節(jié)溫。采用斷路器的做法這一點(diǎn)很難達(dá)到,因?yàn)楣β蔉ET的結(jié)溫是估計(jì)而不是測量得到的。

圖1所示的電路中,斷路器結(jié)合了限流的功能。它采用線性工作模式對FET進(jìn)行偏置,使電流在一定的周期或時(shí)間內(nèi)保持不變。也就是說,斷路器只有在500μs限流被啟動(dòng)后才動(dòng)作。每當(dāng)感應(yīng)電阻的壓降大于500mV時(shí),限流就被啟動(dòng)。因此,功率FET的電流被限制在500mV/Rsense。

如果我們采用一個(gè)32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一個(gè)5mΩ的感應(yīng)電阻,在短路時(shí)FET的電流將被限制在10A,超過500μs斷路器就會關(guān)閉FET。圖2顯示-48V應(yīng)用中的短路波形。

在該功率FET初始溫度為85℃的情況下,如果采用圖2中的電流和電壓,該FET在短路時(shí)的結(jié)溫可以用公式1來計(jì)算:


這里Tj為結(jié)溫,TC為外殼溫度,PD為FET功率消耗RθJC(t)為瞬態(tài)熱阻,結(jié)面到外殼間有500μs的脈沖。


圖2:斷路器短路波形。

計(jì)算出的結(jié)溫非常接近功率FET(NTB52N10T4)的額定溫度上限Tj(150℃),如果外殼溫度發(fā)生一個(gè)很小的變化,很容易便超過了它。

這正是為什么斷路器解決方案通常需要進(jìn)行過設(shè)計(jì)(over-designed)的主要原因。這對于在短路時(shí)使用較大的FET或并行的FET配置來避免過熱很重要,這會大大增加熱插拔電路整體的系統(tǒng)成本。此外,周圍溫度和氣流無法控制得很好,以及在短時(shí)間內(nèi)存在多個(gè)瞬時(shí)脈沖的應(yīng)用,也很難準(zhǔn)確估計(jì)功率FET的結(jié)溫。

NTC熱敏電阻解決方案

一些提供商建議采用熱敏電阻作為給熱插拔電路提供過熱保護(hù)的另一種方案。熱敏電阻是一種電阻隨其自身溫度的變化而變化的電子器件,這些器件不是具有正電阻溫度系數(shù)(PTC器件),就是具有負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC器件)。
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一些提供商建議在熱插拔電路中使用的NTC熱敏電阻,由金屬氧化物構(gòu)成,最常用的氧化物為錳、鎳、鈷、鐵、銅和鈦氧化物。制造商用的NTC熱敏電阻采用基本的陶瓷技術(shù),與幾十年前的沒多大差別。


圖3:采用NTC熱敏電阻進(jìn)行過熱保護(hù)的典型離散熱插拔電路。

圖3為一種典型的分離式熱插拔電路的原理圖,它采用NTC熱敏電阻來進(jìn)行過熱保護(hù)。NTC熱敏電阻應(yīng)當(dāng)放置于離功率FET盡可能近(例如放在板的背面)。圖3所示的電路熱保護(hù)的基本工作原理是,控制器ON引腳的電壓與NTC熱敏電阻上的溫度成反比,即隨著NTC熱敏電阻溫度的增加,ON引腳的電壓降低。熱敏電阻上的溫度與功率FET外殼的溫度直接成正比。

這種方法看起來很簡單,但它在采用NTC熱敏電阻來提供過熱保護(hù)時(shí)具有幾個(gè)固有的問題。其中一個(gè)問題就是,在NTC熱敏電阻上出現(xiàn)足夠高溫度(85℃)而需要降低控制器ON引腳的電壓到臨界值(0.6V)以下前,功率FET結(jié)的最大溫度很容易被超過。這是因?yàn)镹TC熱敏電阻上的溫度完全取決于功率FET外殼溫度(TC)所傳遞的熱量,而FET的結(jié)溫不僅取決于外殼溫度和功耗,還取決于系統(tǒng)溫度的升高,這由周圍溫度、銅線面積、氣流和其它許多因素決定。

容錯(cuò)性問題也影響到NTC熱敏電阻和ON信號啟動(dòng)電壓,這些錯(cuò)誤可以導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)閉溫度發(fā)生顯著的變化。

如果我們采用和圖3電路相同的FETNTB52N10T4,對于一個(gè)12V、電流上限為10A的系統(tǒng),可以計(jì)算出功率FET在超過結(jié)最大溫度150℃前,發(fā)生短路時(shí)外殼的最大溫度:



那么


圖4:集成智能型熱插拔技術(shù)中NIS5101器件的功能框圖。

這表明該功率FET所允許的最大外殼溫度為66℃。因此,不可能采用圖3所示的電路來提供功率FET的過熱保護(hù),因?yàn)閳D3的溫度臨界值為85℃。

盡管可以采用一些方法來改變圖3中電路的溫度臨界值,但即使有可能,也很難對功率FET進(jìn)行可靠的過熱保護(hù)。這不僅在于影響熱傳輸?shù)絅TC熱敏電阻的所有因素和條件,還因?yàn)檫@種做法在達(dá)到限流的一段時(shí)間后,并沒有定時(shí)電路來關(guān)閉功率FET。

集成智能熱插拔技術(shù)

智能型熱插拔(SMARTHotPlug)集成電路技術(shù)將控制功能和功率SENSEFET集成到單芯片上,從而節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間并降低整個(gè)熱插拔應(yīng)用中所需要的器件數(shù)目。其設(shè)計(jì)允許在一個(gè)48V底板上對電子設(shè)備進(jìn)行安全的插入和拔出。該芯片的特點(diǎn)是既使用簡單,又是集成的解決方案。圖4為NIS5101組件的電路方塊圖。

該集成器件包括用戶可選擇的欠壓和過壓保護(hù)級,以及一個(gè)可調(diào)的啟動(dòng)限流,利用一個(gè)電阻就可將電流從最大值向下調(diào)。它還集成了一個(gè)內(nèi)部過熱保護(hù)電路,從而大大增加了短路和過載情況下該器件的可靠性。

NIS5101器件的過熱保護(hù)電路提供了獨(dú)一無二的熱功能,它可以在短路和過載情況下保護(hù)功率SENSEFET。該電路通過內(nèi)部感應(yīng)二極管來感應(yīng)SENSEFET的結(jié)溫,這些二極管特意地放置在功率SENSEFET的活躍區(qū)域。


圖5:SENSEFET與熱關(guān)斷電路。

如果超過了最大結(jié)溫,該過熱保護(hù)電路會從SENSEFET將柵極驅(qū)動(dòng)移除,此做法將使器件因關(guān)斷而受到保護(hù)。圖5表示過熱保護(hù)電路的簡單原理圖。當(dāng)結(jié)溫增加,感應(yīng)二極管的正向電壓下降,從而觸發(fā)比較器,因此功率SENSEFET的柵極驅(qū)動(dòng)關(guān)斷。

過熱保護(hù)電路在結(jié)溫達(dá)到135℃時(shí)便會動(dòng)作,確保功率SENSEFET不會超過最大結(jié)溫,并且引腳溫度(105℃左右)不會損壞PCB。集成智能插拔技術(shù)具有兩種可選的過熱保護(hù):自動(dòng)重試和閉鎖(latch-off)類型。

自動(dòng)重試類型存在一個(gè)額定的40℃的遲滯現(xiàn)象。因此,在一次過熱保護(hù)后,當(dāng)溫度降致由遲滯現(xiàn)象所決定的安全級時(shí)將自動(dòng)重啟。至于閉鎖類型,一旦器件達(dá)到了結(jié)溫極限135℃,它將一直保持關(guān)斷直到輸入電源再次被使用為止。

此新型過熱保護(hù)電路的關(guān)鍵之處就是功率SENSEFET的結(jié)溫是通過實(shí)際測量而不是估計(jì)的。由于該電路所提供的過熱保護(hù)不受其它次要因素,如瞬時(shí)脈沖、周圍溫度、系統(tǒng)氣流以及銅線面積的影響,使其非??煽考胺€(wěn)固。

盡管所有的解決方案都對熱插拔電路提供了過熱保護(hù),每種方案在可靠性和穩(wěn)固性程度方面都有相當(dāng)大的差別。短路和過載會對系統(tǒng)總線電壓產(chǎn)生顯著的影響,如果熱插拔電路對這些情況不能適當(dāng)控制,可能在某些情況下導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在短路和過載條件下不超過熱插拔電路中功率FET額定的結(jié)溫,讓系統(tǒng)總線電壓上產(chǎn)生問題的可能性降到最小,這是最關(guān)鍵的一點(diǎn)。
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