熱插拔可靠性的新標(biāo)準(zhǔn)

1、熱插拔可靠性的新標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)熱插拔系統(tǒng)都有一些內(nèi)在的故障機(jī)理，一個(gè)是功率fet 的平安工作區(qū)(soa)問題，另一個(gè)是在流過時(shí)拔出器件承受感應(yīng)尖峰(inductive spike)的能力問題。本文介紹不采納高額定值的功率器件和短路引腳，而通過用法一個(gè)集成的熱插拔器件來解決這兩個(gè)問題。典型的熱插拔控制器采納稱為斷路器(circuit breaker)的計(jì)劃來庇護(hù)及其fet。該辦法用法雙電平限流使器件能在浪涌電流下工作，并在發(fā)生短路時(shí)仍可迅速關(guān)斷。在這類電路中，fet 處于開或關(guān)狀態(tài)。這是一種行之有效的庇護(hù)銜接電路和功率fet 的辦法，但是需要電路設(shè)計(jì)工程師推想來確定過流狀況發(fā)生時(shí)光的長(zhǎng)短。這種辦法也

2、比其它辦法更可能引起跳閘。因?yàn)榕c庇護(hù)fet 相關(guān)的不確定性，這種辦法普通會(huì)使功率器件的尺寸過大。一個(gè)替代的辦法是在浪涌發(fā)生時(shí)將fet 用作線性限流器件，其優(yōu)點(diǎn)在于可以庇護(hù)銜接電路并更能承受浪涌，缺點(diǎn)則是必需當(dāng)心謹(jǐn)慎，以避開超出fet 的平安工作區(qū)。因?yàn)橄蘖鬟^程中會(huì)產(chǎn)生大量功耗，所以很簡(jiǎn)單超過soa 限制。功率 的平安工作區(qū)普通由規(guī)定了器件可以承受特定時(shí)光的最大允許和電流組合的圖表表示。用法單片控制器和fet 可以挺直檢測(cè)fet 裸片區(qū)域的溫度。裸片溫度是防止fet 浮現(xiàn)各種熱過應(yīng)力(overstress)的一個(gè)變量。單個(gè)控制器和fet 不能檢測(cè)裸片溫度，而必需考慮漏極到源極的電壓范圍、也許的漏

3、極電流以及脈沖持續(xù)時(shí)光和fet 熱路徑的范圍以防止功率器件熱過應(yīng)力。這種解決計(jì)劃可以庇護(hù)fet，但是因?yàn)樽兞窟^多而且不了解個(gè)別精確信息，因此需要比實(shí)際所需的更大的fet。該器件用法諸如nis5101 的混合解決計(jì)劃，可以承受任何電壓和電流(不超過最大器件電壓額定值)且仍處于其soa 范圍之內(nèi)。圖1 顯示該器件的典型裸片布局。數(shù)個(gè)正向偏壓用作溫度檢測(cè)器件，這些二極管具有負(fù)溫度特性。測(cè)量正向壓降并與參考電壓相比較，以確定器件是否已達(dá)到其135的最高溫度。該電路需要幾微秒來對(duì)故障產(chǎn)生響應(yīng)。該器件的封裝為d2pak，其熱時(shí)光常數(shù)約為200ms。時(shí)光延遲使最高溫度最多僅可超過跳閘點(diǎn)幾度，這取決于器件的功

4、耗。在跳閘點(diǎn)和裸片最大額定值之間有40 度的容限，所以不會(huì)存在損壞裸片的危急。挑選135的最高溫度，以保持引腳溫度為105或更低，從而確保故障時(shí)光延伸時(shí)，電路板不會(huì)遭遇熱損壞。該電路可以以遲滯模式來限制溫度-不固定地在135和95之間舉行轉(zhuǎn)換(自動(dòng)重試模式)， 或者在達(dá)到135極限時(shí)可以閉鎖。我們使器件短路20 秒并去除負(fù)載15 秒，對(duì)40 個(gè)樣品舉行測(cè)試。10,000 個(gè)短路周期之后，并未發(fā)生故障。由于電路用法了自動(dòng)重試器件且提供應(yīng)fet 的功率約為250 瓦，電路熱量在20 秒短路中循環(huán)多次。這就在測(cè)試器件中總共舉行了8 億次熱循環(huán)。許多熱插拔解決計(jì)劃因功率fet 電壓的升高或下降時(shí)光緩慢

5、而發(fā)生故障。在這一階段產(chǎn)生大量的功耗，所以在許多設(shè)計(jì)中很可能超過功率fet 的soa。因?yàn)閟mart hotplug(智能熱插拔)器件中用法熱庇護(hù)計(jì)劃，fet 不會(huì)因打開或閉合時(shí)的緩慢變幻而損壞。在最糟糕的狀況下，器件只要達(dá)到其熱極限就會(huì)關(guān)斷。圖2 顯示了當(dāng)負(fù)載(4,200uf)充電時(shí)，電流達(dá)到其限制電平并保持恒定。8ms 之后，fet 裸片達(dá)到其最高溫度且器件關(guān)斷。10ms 之后，裸片溫度下降到95且器件重新工作。這將持續(xù)4 個(gè)周期，直至電容徹低充電。請(qǐng)注重每個(gè)導(dǎo)電周期逐步延伸，這是由于fet 中的功率下降。電流保持不變，但是漏極到源極的電壓下降，因此功率下降。當(dāng)器件從系統(tǒng)中拔出，而電流正通

6、過該器件時(shí)，將產(chǎn)生另一種故障模式。當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器發(fā)生短路且將其拔去時(shí)，會(huì)發(fā)生這種狀況，拔去器件會(huì)由于系統(tǒng)中存儲(chǔ)的電能可產(chǎn)生很大的應(yīng)力?，F(xiàn)在一些熱插拔控制器用法帶外部的并聯(lián)穩(wěn)壓器庇護(hù)芯片，但這種解決計(jì)劃由于需要外部功率電阻，增強(qiáng)了系統(tǒng)成本。其它系統(tǒng)用法短路引腳，這也增強(qiáng)了系統(tǒng)的復(fù)雜度。采納分立工藝來設(shè)計(jì)熱插拔器件，因?yàn)槠鋷缀纬叽巛^大，因而提供了更為結(jié)實(shí)的解決計(jì)劃，這個(gè)單片器件可以承受更高的能量，由于它建立在較大的幾何尺寸的半導(dǎo)體工藝上，而不是較小尺寸的模擬工藝，而且功率器件汲取了大部分感應(yīng)能量。smart hotplug 器件針對(duì)為非鉗位感應(yīng)尖峰(uis)舉行了測(cè)試和評(píng)估。nis5101 可以承受感應(yīng)電能，由于系統(tǒng)電感處于100uh 至10mh 之間，電感的大小取決于拔出時(shí)的電流大小