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熱插拔電路更好的過溫保護方法 [复制链接]

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发表于 2020-7-15 17:43:37 |只看该作者 |倒序浏览
熱插拔電路更好的過溫保護方法  热敏电阻
摘要:針熱插拔電路對熱插拔電路所採行過溫保護的過溫保護方案,本文將討論一種超越目前在分離式熱插拔電路中採斷電器用斷電器NTC和NTC熱敏電阻的全新解決方案,提供最可靠的過溫保護。本文也將解釋此新方法在可靠性方面的優勢,並比較它和傳統採用斷路器和NTC熱敏電阻等方法在性能上的優勢。
圖1:採用斷路器提供過溫保護的典型離散過溫保護電路。
在分散式電源系統、高利用性伺服器、磁碟陣列以及帶電式插卡等應用上需要採用熱插拔保護電路。這些電路提供**湧入電流並防止短路的功能,以消除在將卡插入熱基板時因匯流排失靈、超載或短路,而造成停止工作的昂貴損失。沒有可靠的熱插拔電路,像電信伺服器這種高利用性的伺服器將不能工作。

熱插拔保護電路需要結合控制電路和電源元件。將這些功能整合在一塊單晶片電路上,節省了成本,並增加了諸如電流**,以及過溫保護等獨立元件所不可能具備的重要特性。

斷路器解決方案

採用斷路器為分離式熱插拔電路提供過溫保護,是一種常用的方案。分離式熱插拔電路通常由一顆控制器、一顆單獨的功率FET、一顆功率感測電阻以及一些零散的偏壓元件構成。圖1為一個採用斷路器來提供過溫保護的典型分離式熱插拔電路的電路圖。

這種熱插拔電路很複雜,其實現成本很高,並有一些固有的問題。非整合型熱插拔電路的一個主要問題就是在短路和超載情況下的過溫保護問題。當發生短路時,該熱插拔電路必須承受不能超過功率FET的接合溫度。採用斷路器的做法,這一點很難達到,因為功率FET的接合溫度是估計而不是測量得到的。

圖1所示的電路,斷路器結合了限流的功能。它採用線性工作模式對FET進行偏置,使電流在一定的週期或時間內保持不變。也就是說,斷路器只有在500μs限流被啟動後才動作(trip)。每當跨感測電阻的電壓大於500mV時,限流就被啟動。因此,功率FET的電流被**在500mV/R。

如果我們採用一個32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一個5mΩ的感測電阻,在短路時FET的電流將被**在10A,超過500μs斷路器就會關閉FET。圖2顯示-48V應用中的短路波形。

在該功率FET初始溫度為的情況下,如果採用圖2中的電流和電壓,該FET在短路時的接合溫度可以用公式1來計算:

公式1:

Tj=Tc+(PD x RθJC(t))

此處的Tj為接合溫度;Tc為外殼溫度;PD為FET功率消耗;RθJC(t)為瞬變熱阻,接合面到外殼間有500μs的脈衝。

圖2:斷路器短路波形。


圖5:整合智慧型熱插拔技術中NIS5101元件的方塊圖。
圖6:整合型智能熱插拔技術裸晶結構一般示意圖。
圖7:SENSEFET和過溫保護電路。
圖8:過溫保護電路類型。
圖9:自動重試類型對4,200μF負載電容充電。
圖10:自動重試類型對4,200μF負載電容充電。



計算出的接合溫度非常接近功率FET(NTB52N10T4)的額定溫度上限Tj(150℃),如果機殼溫度發生一個很小的變化,很容易便超過了它。

這正是為什麼斷路器解決方案通常需要進行過度設計(over-designed)的主要原因。這對於在短路時使用較大的FET或並行的FET配置來避免過熱很重要,這會大大增加了熱插拔電路整體的系統成本。此外,周圍溫度和氣流無法控制得很好,以及在短時間記憶體在多個暫態脈衝的應用,也很難準確估計功率FET接合的溫度。

NTC熱敏電阻解決方案

一些供應商建議採用熱敏電阻作為給熱插拔電路提供過溫保護的另一種方案(不同於斷路器方案)。熱敏電阻是一種電阻隨其自身溫度的變化而變化的電子元件。這些元件不是具有正電阻溫度係數(PTC元件),就是具有負電阻溫度係數(NTC元件)。

一些供應商建議在熱插拔電路中使用的NTC熱敏電阻,由金屬氧化物構成。最常用的氧化物為錳、鎳、鈷、鐵、銅和鈦。製造商用的NTC熱敏電阻採用基本的陶瓷技術,與幾十年前的沒多大差別。

圖3為一種典型的分離式熱插拔電路的原理圖,它採用NTC熱敏電阻來進行過溫保護。
圖3:採用NTC熱敏電阻進行過溫保護的典型離散熱插拔電路。


NTC熱敏電阻應當放置於離功率FET盡可能近(例如放在板的背面)。圖3所表示的熱電路保護的基本工作原理是,控制器ON腳位的電壓與NTC熱敏電阻上看到的溫度成反比。即是隨著NTC熱敏電阻溫度的增加,ON腳位的電壓降低。熱敏電阻上看到的溫度與功率FET外殼的溫度直接成正比。圖4顯示了這種關係。
圖4:熱敏電阻電阻值與溫度比,以及ON腳位電壓關係圖。


這種方法看起來很簡單,但它在採用NTC熱敏電阻來提供過溫保護時具有幾個固有的問題。其中一個問題就是,在NTC熱敏電阻顯示出足夠高溫度(85℃)而需要降低控制器ON腳位的電壓到臨界值(0.6V)以下前,功率FET接合的最大溫度很容易被超過。這是因為NTC熱敏電阻上看到的溫度完全取決於功率FET外殼溫度(Tc)所傳遞的熱量;而FET的接合溫度不僅取決於外殼溫度和功率消耗,還取決於系統溫度的升高,這由周圍溫度、銅線面積、氣流和其他許多因素決定。

容錯性問題也影響到NTC熱敏電阻和ON訊號啟動(trip)電壓。這些錯誤可以導致系統關閉溫度發生一個顯著的變化。

如果我們採用和(圖3)電路相同的FET NTB52N10T4(前面已描述),對於一個12V、電流上限為10A的系統,可以計算出功率FET在超過接合面最大溫度150℃前,發生短路時外殼的最大溫度:

公式1:

Tj=Tc+(PD x RθJC(t));

Tc=Tj-(PD x RθJC(t))

Tc=150℃-[(12V x 10A) x 0.7℃ / W] = 66℃

這顯示該功率FET所允許的最大外殼溫度為。因此,不可能採用圖3所示的電路來提供功率FET的過溫保護,因為圖3的溫度臨界值為85℃。

儘管可以採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進行可靠的過溫保護。這不僅在於影響熱傳輸到NTC熱敏電阻的所有因素和條件,還因為這種做法在達到限流的一段時間後,並沒有定時電路來關閉功率FET。

整合型智慧熱插拔技術

智慧型熱插拔積體電路技術將控制功能和功率SENSEFET整合在單晶片上,從而節省設計時間並降低整個熱插拔應用中所需要的元件數目。其設計允許在一個-48V基板上對電子設備進行安全的插入和拔出。這晶片的特點是既使用簡單,又是整合的解決方案。圖5為NIS5101元件的電路方塊圖。

這整合型元件包括用戶可選擇的欠壓和過壓保護級,以及一個可調的啟動限流,利用一個電阻就可將電流從最大值往下降。它還整合了一個內部過溫保護電路,從而大幅增加了短路和超載情況下該元件的可靠性。

NIS5101元件的過溫保護電路提供了獨一無二的熱功能,它可以在短路和超載情況下保護功率SENSEFET。該電路透過內部感測二極體來感測SENSEFET的接合溫度,這些二極體有計劃地放置在功率SENSEFET的活躍區域。圖6表示了該元件裸晶結構一般圖形化的呈現方式,它含有溫度感測二極體概念。

如果超過了最大接合溫度,該過溫保護電路會從SENSEFET將閘驅動移除,此做法將使元件因關機受到保護。圖7表示過溫保護電路的簡單原理圖。

當接合溫度增加,感測二極體的正向電壓下降,從而觸發比較器,因此功率SENSEFET的閘驅動關機。

過溫保護電路在接合溫度達到135℃時便會動作,確保功率SENSEFET不會超過最大接合溫度,並且接腳溫度(105℃左右)不會損壞PCB。

整合型智慧插拔技術具有兩種可選的過溫保護:自動重試和閉鎖(latch-off)類型。圖8是這兩種過溫保護的圖。

自動重試類型存在一個額定的40℃的遲滯現象;因此,在一次過溫保護後,當溫度降致由遲滯現象所決定的安全級(見圖)時,元件將自動重啟。至於閉鎖類型,一旦元件達到了接合溫度極限135℃,它將一直保持關機直到輸入電源再次被使用為止。圖9、圖10描述了兩種過溫保護電路中兩種不同工作類型的示波圖(自動重試和閉鎖)。

此一新型過溫保護電路的關鍵之處就是功率SENSEFET的接合溫度是透過實際測量而不是估計的。由於該電路所提供的過溫保護不受其他次要因素,如暫態脈衝、周圍溫度、系統氣流以及銅線面積的影響,使其非常可靠及穩固。

本文結論 儘管所有的解決方案都對熱插拔電路提供了過溫保護,每種方案在可靠性和穩固性程度方面都有相當大的差別。短路和超載會對系統匯流排電壓產生顯著的影響,如果熱插拔電路控制不良的這些情況,可能在某些情況下導致系統崩潰。

在短路和超載條件下不超過熱插拔電路中功率FET額定的接合溫度,讓系統匯流排電壓上產生問題的可能性降到最小,這是最關鍵的一點。這一點做好了,就會是一個穩固而可靠的系統;做不好就會產生故障。

產品應用工程師

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