中心議題：

• 斷路器解決方案
• NTC熱敏電阻解決方案
• 集成智能熱插拔技術

解決方案：

• 保護電路需要結合控製電路和電源組件
• 使用較大的FET或並行的FET
• 采用NTC熱敏電阻來進行過熱保護

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采用斷路器和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。

在分布式電源係統、高可用性服務器、cipanzhenlieyijidaidianchakadengyingyongshangxuyaocaiyongrechababaohudianlu。zhexiedianlutigongxianzhilangyongdianliubingfangzhiduanludegongneng，yixiaochuzaijiangkacharudibanshiyinzongxianguzhang
、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，像電信服務器這種高可用性服務器將不能工作。

熱(re)插(cha)拔(ba)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)結(jie)合(he)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)和(he)電(dian)源(yuan)組(zu)件(jian)。將(jiang)這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)塊(kuai)單(dan)芯(xin)片(pian)電(dian)路(lu)上(shang)，可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)並(bing)增(zeng)加(jia)諸(zhu)如(ru)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)以(yi)及(ji)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)等(deng)分(fen)離(li)器(qi)件(jian)方(fang)案(an)所(suo)不(bu)可(ke)能(neng)具(ju)備(bei)的(de)重(zhong)要(yao)功(gong)能(neng)。

斷路器解決方案

采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製器、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wei一yi個ge采cai用yong斷duan路lu器qi來lai提ti供gong過guo熱re保bao護hu的de典dian型xing分fen離li式shi熱re插cha拔ba電dian路lu的de電dian路lu圖tu。這zhe種zhong熱re插cha拔ba電dian路lu很hen複fu雜za，其qi實shi現xian成cheng本ben很hen高gao，並bing有you一yi些xie固gu有you的de問wen題ti。


圖1：采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。采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。它采用線性工作模式對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，斷路器隻有在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的電流被限製在500mV/Rsense。

如果我們采用一個32mΩ的NTB52N10T4、100V的FET及一個5mΩ的感應電阻，在短路時FET的電流將被限製在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
，如果采用圖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：


這裏Tj為結溫，TC為外殼溫度，PD為FET功率消耗RθJC(t)為瞬態熱阻，結麵到外殼間有500μs的脈衝。


圖2：斷路器短路波形。

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pei置zhi來lai避bi免mian過guo熱re很hen重zhong要yao，這zhe會hui大da大da增zeng加jia熱re插cha拔ba電dian路lu整zheng體ti的de係xi統tong成cheng本ben。此ci外wai，周zhou圍wei溫wen度du和he氣qi流liu無wu法fa控kong製zhi得de很hen好hao，以yi及ji在zai短duan時shi間jian內nei存cun在zai多duo個ge瞬shun時shi脈mai衝chong的de應ying用yong，也ye很hen難nan準zhun確que估gu計ji功gong率lvFET的結溫。

NTC熱敏電阻解決方案

一(yi)些(xie)提(ti)供(gong)商(shang)建(jian)議(yi)采(cai)用(yong)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)作(zuo)為(wei)給(gei)熱(re)插(cha)拔(ba)電(dian)路(lu)提(ti)供(gong)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)的(de)另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)案(an)。熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)是(shi)一(yi)種(zhong)電(dian)阻(zu)隨(sui)其(qi)自(zi)身(shen)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)的(de)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)不(bu)是(shi)具(ju)有(you)正(zheng)電(dian)阻(zu)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)(PTC器件)，就是具有負電阻溫度係數(NTC器件)。
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一些提供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
、銅和鈦氧化物。製造商用的NTC熱敏電阻采用基本的陶瓷技術
，與幾十年前的沒多大差別。


圖3：采用NTC熱敏電阻進行過熱保護的典型離散熱插拔電路。

圖3為一種典型的分離式熱插拔電路的原理圖，它采用NTC熱敏電阻來進行過熱保護。NTC熱敏電阻應當放置於離功率FET盡可能近(例如放在板的背麵)。圖3所示的電路熱保護的基本工作原理是，控製器ON引腳的電壓與NTC熱敏電阻上的溫度成反比，即隨著NTC熱敏電阻溫度的增加
，ON引腳的電壓降低。熱敏電阻上的溫度與功率FET外殼的溫度直接成正比。

這種方法看起來很簡單，但它在采用NTC熱敏電阻來提供過熱保護時具有幾個固有的問題。其中一個問題就是，在NTC熱敏電阻上出現足夠高溫度(85℃)而需要降低控製器ON引腳的電壓到臨界值(0.6V)以下前，功率FET結的最大溫度很容易被超過。這是因為NTC熱敏電阻上的溫度完全取決於功率FET外殼溫度(TC)所傳遞的熱量，而FET的結溫不僅取決於外殼溫度和功耗，還取決於係統溫度的升高，這由周圍溫度、銅線麵積、氣流和其它許多因素決定。

容錯性問題也影響到NTC熱敏電阻和ON信號啟動電壓，這些錯誤可以導致係統關閉溫度發生顯著的變化。

如果我們采用和圖3電路相同的FETNTB52N10T4，對於一個12V
、電流上限為10A的係統，可以計算出功率FET在超過結最大溫度150℃前

，發生短路時外殼的最大溫度：



那麼


圖4：集成智能型熱插拔技術中NIS5101器件的功能框圖。

這表明該功率FET所允許的最大外殼溫度為66℃。因此

，不可能采用圖3所示的電路來提供功率FET的過熱保護，因為圖3的溫度臨界值為85℃。

盡管可以采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進行可靠的過熱保護。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。

集成智能熱插拔技術

智能型熱插拔(SMARTHotPlug)集成電路技術將控製功能和功率SENSEFET集成到單芯片上

，從而節省設計時間並降低整個熱插拔應用中所需要的器件數目。其設計允許在一個48V底板上對電子設備進行安全的插入和拔出。該芯片的特點是既使用簡單，又是集成的解決方案。圖4為NIS5101組件的電路方塊圖。

該(gai)集(ji)成(cheng)器(qi)件(jian)包(bao)括(kuo)用(yong)戶(hu)可(ke)選(xuan)擇(ze)的(de)欠(qian)壓(ya)和(he)過(guo)壓(ya)保(bao)護(hu)級(ji)，以(yi)及(ji)一(yi)個(ge)可(ke)調(tiao)的(de)啟(qi)動(dong)限(xian)流(liu)


，利(li)用(yong)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)就(jiu)可(ke)將(jiang)電(dian)流(liu)從(cong)最(zui)大(da)值(zhi)向(xiang)下(xia)調(tiao)。它(ta)還(hai)集(ji)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)內(nei)部(bu)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)
，從(cong)而(er)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)了(le)短(duan)路(lu)和(he)過(guo)載(zai)情(qing)況(kuang)下(xia)該(gai)器(qi)件(jian)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

NIS5101器件的過熱保護電路提供了獨一無二的熱功能，它可以在短路和過載情況下保護功率SENSEFET。該電路通過內部感應二極管來感應SENSEFET的結溫，這些二極管特意地放置在功率SENSEFET的活躍區域。


圖5：SENSEFET與熱關斷電路。

如果超過了最大結溫，該過熱保護電路會從SENSEFET將柵極驅動移除，此做法將使器件因關斷而受到保護。圖5表示過熱保護電路的簡單原理圖。當結溫增加，感應二極管的正向電壓下降
，從而觸發比較器，因此功率SENSEFET的柵極驅動關斷。

過熱保護電路在結溫達到135℃時便會動作，確保功率SENSEFET不會超過最大結溫，並且引腳溫度(105℃左右)不會損壞PCB。集成智能插拔技術具有兩種可選的過熱保護：自動重試和閉鎖(latch-off)類型。

自動重試類型存在一個額定的40℃dechizhixianxiang。yinci，zaiyiciguorebaohuhou，dangwendujiangzhiyouchizhixianxiangsuojuedingdeanquanjishijiangzidongzhongqi。zhiyubisuoleixing，yidanqijiandadaolejiewenjixian135℃，它將一直保持關斷直到輸入電源再次被使用為止。

此新型過熱保護電路的關鍵之處就是功率SENSEFET的結溫是通過實際測量而不是估計的。由於該電路所提供的過熱保護不受其它次要因素，如瞬時脈衝
、周圍溫度
、係統氣流以及銅線麵積的影響，使其非常可靠及穩固。

盡(jin)管(guan)所(suo)有(you)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)都(dou)對(dui)熱(re)插(cha)拔(ba)電(dian)路(lu)提(ti)供(gong)了(le)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)，每(mei)種(zhong)方(fang)案(an)在(zai)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)穩(wen)固(gu)性(xing)程(cheng)度(du)方(fang)麵(mian)都(dou)有(you)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)差(cha)別(bie)。短(duan)路(lu)和(he)過(guo)載(zai)會(hui)對(dui)係(xi)統(tong)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)產(chan)生(sheng)顯(xian)著(zhu)的(de)影(ying)響(xiang)，如(ru)果(guo)熱(re)插(cha)拔(ba)電(dian)路(lu)對(dui)這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)不(bu)能(neng)適(shi)當(dang)控(kong)製(zhi)，可(ke)能(neng)在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)崩(beng)潰(kui)。在(zai)短(duan)路(lu)和(he)過(guo)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)不(bu)超(chao)過(guo)熱(re)插(cha)拔(ba)電(dian)路(lu)中(zhong)功(gong)率(lv)FET額定的結溫，讓係統總線電壓上產生問題的可能性降到最小，這是最關鍵的一點。