热插拔芯片原理（热插拔定义）

（本文由德州仪器(TI) 供稿，作者：德州仪器(Texas Instruments) Brett Barr）本文将讨论如何选择用于热插拔的MOSFET（金属氧化物半场效应晶体管）。

当电源突然与其负载断开时，电路的寄生电感元件上的大电流摆幅会产生巨大的尖峰电压，这会对电路上的电子元件产生非常不利的影响。与电池保护应用类似，这里MOSFET 可以将输入电源与其他电路隔离。但此时，场效应管的作用并不是立即断开输入和输出，而是减轻那些破坏性浪涌电流的严重后果。这需要控制器在输入电压(VIN) 和输出电压(VOUT) 之间调节MOSFET 上的栅源偏置，以便MOSFET 处于饱和状态，阻止任何可能通过的电流（参见图1）。

图1：简化的热插拔电路

对于FET，首先要考虑的是选择合适的击穿电压，通常为最大输入电压的1.5 至2 倍。例如，12V 系统通常为25V 或30V FET，而48V 系统通常为100V，或在某些情况下为150V FET。下一个考虑因素应该是MOSFET 的安全工作区域(SOA)，如数据表中的曲线所示。它特别有助于指示MOSFET 在短时功率浪涌期间如何影响热击穿，这与热插拔应用中必须吸收的热量不同。由于安全工作区(SOA) 是正确选择的最重要标准，因此请参阅了解MOSFET 数据表- SOA 图，其中详细介绍了TI 如何进行测量，然后生成器件数据表中所示的MOSFET 的SOA。

设计人员面临的关键问题是FET 可能经历的最大浪涌电流（或预计限制输出）以及该浪涌将持续多长时间。知道了这些信息，在器件数据表的SOA图上查找对应的电流和电压差异就相对简单了。

例如，如果设计输入电压为48V，并且希望在8ms内限制输出电流不超过2A，设计人员可以参考CSD19532KTT、CSD19535KTT和CSD19536KTT SOA的10ms曲线（图2）并推导出后两个设备可以工作，但不能使用CSD19532KTT。由于CSD19535KTT 已经具有足够的余量，因此更昂贵的CSD19536KTT 可能会为此应用提供过高的性能。

图2：三种不同100V D2PAK MOSFET 的SOA

假设环境温度为25C，与数据表上测量SOA 时的温度相同。由于最终应用可能会暴露在更热的环境中，因此必须根据环境温度与FET 最大结温的比率按比例降低SOA 的额定值。例如，如果最终系统最高环境温度为70C，则可以使用公式1 降低SOA 曲线的额定值：

在这种情况下，CSD19535KTT 的10ms、48V 能力将从~2.5A 降至~1.8A。因此，特定FET 可能不再适合该应用，设计人员应选择CSD19536KTT。

值得注意的是，这种降额方法假设MOSFET 在其最大结温处完全失效，尽管通常情况并非如此。假设SOA 测试中测得的故障点实际发生在200C 或任何其他更高的温度下，计算出的降额将更接近统一。也就是说，这种降额方法的计算并不是一个保守的算法。

SOA 还将决定MOSFET 封装类型。 D2PAK 封装可容纳大型硅芯片，因此在较高功率应用中非常受欢迎。较小的5mm 6mm 和3.3mm 3.3mm 四方扁平无引线(QFN) 封装更适合低功耗应用。为了承受小于5 - 10A 的浪涌电流，FET 通常与控制器集成。

这里有几点需要注意：

当针对热插拔应用时，设计人员可以针对FET 在饱和区工作的任何情况使用相同的SOA 选择流程，甚至适用于OR-ing 应用、以太网供电(PoE) 和低速开关应用（例如电机） 。控制）使用相同的FET选择方法，在MOSFET关断期间VDS和IDS会有相当高的重叠。

热插拔是一种倾向于使用表面贴装FET 而不是通孔FET（例如TO-220 或I-PAK 封装）的应用。原因是脉冲持续时间短，并且热击穿事件中发生的加热非常有限。换句话说，从硅结到外壳的电容热阻元件可防止热量快速消散到电路板或散热器中以冷却结。作为芯片尺寸的函数，结到外壳热阻抗(RJC) 很重要，但作为封装、电路板和系统热环境的函数，结到环境热阻抗(RJA) 要小得多。出于同样的原因，很难看到在这些应用中使用散热器。

设计人员通常假设目录中电阻最低的MOSFET 将具有最强的SOA。其背后的逻辑是- 相同硅生产中较低的电阻通常表明封装内有更大的硅芯片，这确实会产生更好的SOA 性能和更低的结到外壳热阻抗。然而，随着更新换代的硅晶圆提高了单位面积电阻(RSP)，硅晶圆也往往会增加电池密度。硅芯片内部的单元结构越密集，芯片就越有可能发生热击穿。这就是为什么具有较高电阻的老一代FET 有时也具有更好的SOA 性能。总之，对SOA进行考察和比较是非常有必要的。

请前往TI官网了解更多关于各种热插拔控制器的信息。本文最后的表1-3重点介绍了一些用于热插拔的设备，为SOA功能提供了一些参考价值。

如需了解更多信息，请查看MOSFET 选项博客系列。

表1：适用于12V 热插拔的MOSFET

表2：适用于24V 热插拔的MOSFET

表3：适用于48V 热插拔的MOSFET