熱插拔電路的過熱保護新方法

2020-11-25 電子產品世界

針對熱插拔電路所實行的過熱保護方案，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，並比較它和傳統方法在性能上的優勢。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/179236.htm

在分布式電源系統、高可用性伺服器、磁碟陣列以及帶電插卡等應用上需要採用熱插拔保護電路。這些電路提供限制浪湧電流並防止短路的功能，以消除在將卡插入底板時因總線故障、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，像電信伺服器這種高可用性伺服器將不能工作。

熱插拔保護電路需要結合控制電路和電源組件。將這些功能集成在一塊單晶片電路上，可以節省成本並增加諸如電流限制以及過熱保護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

採用斷路器為分離式熱插拔電路提供過熱保護，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、一顆功率感應電阻以及一些零散的偏壓器件構成。圖1為一個採用斷路器來提供過熱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。

圖1：採用斷路器提供過熱保護的典型離
散過熱保護電路。

非集成熱插拔電路的一個主要問題就是在短路和過載情況下的過熱保護問題。當發生短路時，該熱插拔電路必須承受不能超過功率FET的節溫。採用斷路器的做法這一點很難達到，因為功率FET的結溫是估計而不是測量得到的。

圖1所示的電路中，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，使電流在一定的周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。每當感應電阻的壓降大於500mV時，限流就被啟動。因此，功率FET的電流被限制在500mV/Rsense。

如果我們採用一個32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一個5mΩ的感應電阻，在短路時FET的電流將被限制在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85℃的情況下，如果採用圖2中的電流和電壓，該FET在短路時的結溫可以用公式1來計算：









這裡Tj為結溫，TC為外殼溫度，PD為FET功率消耗，RθJC(t)

圖2：斷路器短路波形。

為瞬態熱阻，結面到外殼間有500μs的脈衝。









計算出的結溫非常接近功率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，以及在短時間內存在多個瞬時脈衝的應用，也很難準確估計功率FET的結溫。

NTC熱敏電阻解決方案

一些提供商建議採用熱敏電阻作為給熱插拔電路提供過熱保護的另一種方案。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係數(PTC器件)，就是具有負電阻溫度係數(NTC器件)。

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