热插拔电路的过热保护方案性能比较

2008-06-12 11:18:41来源: 电子系统设计

  针对热插拔电路所实行的过热保护方案,本文将讨论一种超越目前在分离式热插拔电路中采用断路器和NTC热敏电阻的全新解决方案,提供最可靠的过热保护,并比较它和传统方法在性能上的优势。

  在分布式电源系统、高可用性服务器、磁盘阵列以及带电插卡等应用上需要采用热插拔保护电路。这些电路提供限制浪涌电流并防止短路的功能,以消除在将卡插入底板时因总线故障、过载或短路而造成停止工作的损失。没有可靠的热插拔电路,像电信服务器这种高可用性服务器将不能工作。

  热插拔保护电路需要结合控制电路和电源组件。将这些功能集成在一块单芯片电路上,可以节省成本并增加诸如电流限制以及过热保护等分离器件方案所不可能具备的重要功能。

  断路器解决方案

  采用断路器为分离式热插拔电路提供过热保护,是一种常用的方案。分离式热插拔电路通常由一颗控制器、一颗单独的功率FET、一颗功率感应电阻以及一些零散的偏压器件构成。图1为一个采用断路器来提供过热保护的典型分离式热插拔电路的电路图。这种热插拔电路很复杂,其实现成本很高,并有一些固有的问题。

  

  图1:采用断路器提供过热保护的典型离

  散过热保护电路。

  非集成热插拔电路的一个主要问题就是在短路和过载情况下的过热保护问题。当发生短路时,该热插拔电路必须承受不能超过功率FET的节温。采用断路器的做法这一点很难达到,因为功率FET的结温是估计而不是测量得到的。

  图1 所示的电路中,断路器结合了限流的功能。它采用线性工作模式对FET进行偏置,使电流在一定的周期或时间内保持不变。也就是说,断路器只有在500μs限流被启动后才动作。每当感应电阻的压降大于500mV时,限流就被启动。因此,功率FET的电流被限制在500mV/Rsense。

  如果我们采用一个32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一个5mΩ的感应电阻,在短路时FET的电流将被限制在10A,超过500μs断路器就会关闭FET。图2显示-48V应用中的短路波形。

  在该功率FET初始温度为85℃的情况下,如果采用图2中的电流和电压,该FET在短路时的结温可以用公式1来计算:

  

  这里Tj为结温,TC为外壳温度,PD为FET功率消耗,RθJC(t)

  

  图2:断路器短路波形。

  为瞬态热阻,结面到外壳间有500μs的脉冲。

  

  计算出的结温非常接近功率FET(NTB52N10T4)的额定温度上限Tj(150℃),如果外壳温度发生一个很小的变化,很容易便超过了它。

  这正是为什么断路器解决方案通常需要进行过设计(over-designed)的主要原因。这对于在短路时使用较大的FET或并行的FET配置来避免过热很重要,这会大大增加热插拔电路整体的系统成本。此外,周围温度和气流无法控制得很好,以及在短时间内存在多个瞬时脉冲的应用,也很难准确估计功率FET的结温。

  NTC热敏电阻解决方案

  一些提供商建议采用热敏电阻作为给热插拔电路提供过热保护的另一种方案。热敏电阻是一种电阻随其自身温度的变化而变化的电子器件,这些器件不是具有正电阻温度系数(PTC器件),就是具有负电阻温度系数(NTC器件)。

  一些提供商建议在热插拔电路中使用的NTC热敏电阻,由金属氧化物构成,最常用的氧化物为锰、镍、钴、铁、铜和钛氧化物。制造商用的NTC热敏电阻采用基本的陶瓷技术,与几十年前的没多大差别。

  

  图3:采用NTC热敏电阻进行过热保护的典

  型离散热插拔电路。

  图3 为一种典型的分离式热插拔电路的原理图,它采用NTC热敏电阻来进行过热保护。NTC热敏电阻应当放置于离功率FET尽可能近(例如放在板的背面)。图3 所示的电路热保护的基本工作原理是,控制器ON引脚的电压与NTC热敏电阻上的温度成反比,即随着NTC热敏电阻温度的增加,ON引脚的电压降低。热敏电阻上的温度与功率FET外壳的温度直接成正比。

  这种方法看起来很简单,但它在采用NTC热敏电阻来提供过热保护时具有几个固有的问题。其中一个问题就是,在NTC热敏电阻上出现足够高温度(85℃)而需要降低控制器ON引脚的电压到临界值(0.6V)以下前,功率FET结的最大温度很容易被超过。这是因为NTC热敏电阻上的温度完全取决于功率FET外壳温度(TC)所传递的热量,而FET的结温不仅取决于外壳温度和功耗,还取决于系统温度的升高,这由周围温度、铜线面积、气流和其它许多因素决定。

  容错性问题也影响到NTC热敏电阻和ON信号启动电压,这些错误可以导致系统关闭温度发生显著的变化。

  如果我们采用和图3电路相同的FET NTB52N10T4,对于一个12V、电流上限为10A的系统,可以计算出功率FET在超过结最大温度150℃前,发生短路时外壳的最大温度:

  

  

  

  图4:集成智能型热插拔技术中NIS5101器

  件的功能框图

  那么

  

  这表明该功率FET所允许的最大外壳温度为66℃。因此,不可能采用图3所示的电路来提供功率FET的过热保护,因为图3的温度临界值为85℃。

  尽管可以采用一些方法来改变图3中电路的温度临界值,但即使有可能,也很难对功率FET进行可靠的过热保护。这不仅在于影响热传输到NTC热敏电阻的所有因素和条件,还因为这种做法在达到限流的一段时间后,并没有定时电路来关闭功率FET。

  集成智能热插拔技术

  智能型热插拔(SMART HotPlug)集成电路技术将控制功能和功率SENSEFET集成到单芯片上,从而节省设计时间并降低整个热插拔应用中所需要的器件数目。其设计允许在一个48V底板上对电子设备进行安全的插入和拔出。该芯片的特点是既使用简单,又是集成的解决方案。图4为NIS5101组件的电路方块图。

  该集成器件包括用户可选择的欠压和过压保护级,以及一个可调的启动限流,利用一个电阻就可将电流从最大值向下调。它还集成了一个内部过热保护电路,从而大大增加了短路和过载情况下该器件的可靠性。

  NIS5101器件的过热保护电路提供了独一无二的热功能,它可以在短路和过载情况下保护功率SENSEFET。该电路通过内部感应二极管来感应SENSEFET的结温,这些二极管特意地放置在功率SENSEFET的活跃区域。

  

  图5:SENSEFET与热关断电路

  如果超过了最大结温,该过热保护电路会从SENSEFET将极驱动移除,此做法将使器件因关断而受到保护。图5表示过热保护电路的简单原理图。当结温增加,感应二极管的正向电压下降,从而触发比较器,因此功率SENSEFET的栅极驱动关断。

  过热保护电路在结温达到135℃时便会动作,确保功率SENSEFET不会超过最大结温,并且引脚温度(105℃左右)不会损坏PCB。集成智能插拔技术具有两种可选的过热保护:自动重试和闭锁(latch-off)类型。

  自动重试类型存在一个额定的40℃的迟滞现象。因此,在一次过热保护后,当温度降致由迟滞现象所决定的安全级时将自动重启。至于闭锁类型,一旦器件达到了结温极限135℃,它将一直保持关断直到输入电源再次被使用为止。

  此新型过热保护电路的关键之处就是功率SENSEFET的结温是通过实际测量而不是估计的。由于该电路所提供的过热保护不受其它次要因素,如瞬时脉冲、周围温度、系统气流以及铜线面积的影响,使其非常可靠及稳固。

  本文结论

  尽管所有的解决方案都对热插拔电路提供了过热保护,每种方案在可靠性和稳固性程度方面都有相当大的差别。短路和过载会对系统总线电压产生显著的影响,如果热插拔电路对这些情况不能适当控制,可能在某些情况下导致系统崩溃。在短路和过载条件下不超过热插拔电路中功率FET额定的结温,让系统总线电压上产生问题的可能性降到最小,这是最关键的一点。

关键字:热插拔  过热保护  结温  FET  功率  热敏电阻  电阻温度系数  钛氧化物  关断电路

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0612/article_48.html
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