为什么 SOA 对于热插拔应用非常重要?

　　电路中采用的大部分功率 MOSFET 都能够快速接通和关断，以纳秒的时间处于高损耗转换状态。在这类应用中，SOA 并不是主要问题。相反，SOA 对于热插拔电路是非常重要，提供了输入浪涌电流控制 (软启动)、限流和电路断路器功能。要理解这一点，请看热插入电路板的启动波形 (图 3a)。当电路板插入到 12V 背板电源时，热插拔控制器等待连接器接触反弹完成，随后软启动 MOSFET 栅极。然后，输出电压跟随并在 40ms 内达到 12V。在这一软启动期间，会有 200mA 的电容充电电流流过 MOSFET，而其漏-源极电压从 12V (= 12VIN − 0VOUT) 几乎降至 0V (= 12VIN − 12VOUT)。在负载上出现短路时 (图 3b)，控制器将 MOSFET 上的电流限制在 6A，电压为12V (= 12VIN − 0VOUT)。这一 72W 功耗状态持续 1.2ms，直至电路断路器定时器计时结束。在启动浪涌和限流等状态中，需要热插拔 MOSFET 处理持续数百微秒至数十毫秒的显著功耗，应注意其 SOA 性能。

　　图 3a. 电路板热插入到 12V 背板电源时的软启动

　　CONTACT BOUNCE：接触反弹

　　图 3b. 输出短路期间的限流

　　CONTACT BOUNCE：接触反弹

　　SINGLE PULSE：单脉冲

　　GUARANTEED：有保证的

集成 MOSFET 热插拔控制器以及有保证的 SOA

　　集成 MOSFET 的热插拔控制器对设计师的帮助很大，使其无需在搜寻 MOSFET 数据资料以达到最佳适配上浪费时间，从而简化了热插拔设计师的工作。目前凌力而特提供的热插拔控制器系列产品已经集成了MOSFET 以及有保证的SOA, 其中LTC4233 和 LTC4234 (图 4) 是集成了 MOSFET 和电流检测功能的 10A 和 20A 热插拔控制器，供电范围在 2.9V 至 15V，覆盖了标准 3.3V、5V 和 12V 电源。通过集成两个最关键和最大的热插拔组件 (功率 MOSFET 和检测电阻)，这些控制器有助缩短设计时间和减小电路板面积，为最终产品增加了更有价值的特性。

　　图 4：LTC4234：20A 有保证的 SOA 热插拔控制器

　　Guaranteed SOA：有保证的SOA

　　HOT SWAP：热插拔

　　Power Good：电源良好

　　Current Monitor：电流监视器

　　Current Limit Timer：限流定时器

　　Current Limit Adjustment and Temperature Monitor：限流调整和温度监视器

　　LTC4233 和 LTC4234 控制器特有的特性是产品手册中保证了其内部 MOSFET SOA，而这在独立 MOSFET 中是找不到的。每器件的 SOA 在 SOA 图中的单点上经过了产品生产测试。图 5 显示了 LTC4234 的 SOA 图。从输入至输出上应用 13.5V 电压，输出源出 6A 并持续 30ms，以对其 SOA 进行了测试。得出的功耗是 81W。这在 SOA 图中以红点表示。采用了同样的电压对 LTC4233 进行了测试，只是电流和功率减半 (即 3A 和 40.5W 并持续 30ms)。注意，LTC4233 和 LTC4234 SOA 图显示了有保证的最小 SOA，而 MOSFET 数据表显示了典型值。

　　图 5：LTC4234 热插拔控制器有保证的安全工作区图

　　SINGLE PULSE：单脉冲

　　GUARANTEED：有保证的

　　LTC4233 和 LTC4234 还输出地参考信号，该信号与通过内部检测电阻器上的负载电流成正比。可以采用外部模数转换器 (图 4) 来测量这一输出，向系统管理人员提供电路板电流和功耗数据。通过一个外部电阻器从其默认值减小限流值，这样，可以迅速调整以适应动态负载变化和各种应用。可选欠压和过压门限保护了下游负载不受超出有效窗口电压的影响，从而防止了出现电路故障和损害。即使在不需要热插入的地方，控制器也可以用于实现浪涌电流控制、限流和电路断路器功能。这些控制器的典型应用包括在任务关键的服务器、网络路由器和交换机、企业固态硬盘存储和工业系统中空间受限的高密度电路板和卡等。

　　结论

　　除了热插拔控制器本身，热插拔电路还保护了电路板电源和 MOSFET 故障不会损坏 MOSFET 下游昂贵的处理电子器件。现场故障、暴露 MOSFET 弱点等可能会导致高昂的回收，从而对声誉造成损害。因此，应确保选择 MOSFET 能够可靠处理热插拔应用中遇到的压力，这一点非常重要。LTC4233 和 LTC4234 集成了 MOSFET 热插拔控制器，减小了解决方案占板面积，缩短了设计时间，对每一个控制器 SOA 进行了新产品测试，确保了实现坚固可靠的解决方案。

作者：Pinkesh Sachdev  
凌力尔特公司 混合信号产品部　高级产品市场工程师