中心議題：

• 熱插拔電路保護
• 熱插拔斷路器故障
• 熱插拔係統的TVS二極管
• TVS的選擇程序

本文探討了在線卡輸入端使用TVS二er極ji管guan鉗qian位wei的de理li由you。作zuo者zhe利li用yong典dian型xing係xi統tong的de實shi驗yan測ce量liang得de出chu的de瞬shun態tai電dian壓ya波bo形xing為wei基ji礎chu研yan究jiu提ti供gong了le關guan鍵jian參can數shu，並bing介jie紹shao了le選xuan擇ze係xi統tong保bao護hu元yuan件jian的de主zhu要yao步bu驟zhou。

熱插拔電路保護

下一代高性能刀片服務器、數據中心、存儲和通信基礎設施係統使用的電源係統讓人們感覺到一種需求——對速度的需求！具(ju)體(ti)來(lai)說(shuo)，不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)的(de)處(chu)理(li)器(qi)時(shi)鍾(zhong)速(su)率(lv)和(he)數(shu)據(ju)吞(tun)吐(tu)量(liang)的(de)長(chang)期(qi)趨(qu)勢(shi)顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)。除(chu)非(fei)全(quan)球(qiu)對(dui)高(gao)帶(dai)寬(kuan)數(shu)據(ju)的(de)貪(tan)婪(lan)需(xu)求(qiu)有(you)所(suo)改(gai)變(bian)，這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)很(hen)可(ke)能(neng)一(yi)直(zhi)繼(ji)續(xu)下(xia)去(qu)。不(bu)幸(xing)的(de)是(shi)，這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)所(suo)消(xiao)耗(hao)的(de)功(gong)率(lv)高(gao)得(de)驚(jing)人(ren)，而(er)冷(leng)卻(que)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)又(you)在(zai)迅(xun)速(su)攀(pan)升(sheng)。因(yin)此(ci)
，重(zhong)點(dian)在(zai)於(yu)係(xi)統(tong)和(he)設(she)施(shi)級(ji)別(bie)的(de)能(neng)源(yuan)監(jian)測(ce)和(he)節(jie)能(neng)。此(ci)外(wai)
，當(dang)務(wu)之(zhi)急(ji)是(shi)必(bi)須(xu)了(le)解(jie)係(xi)統(tong)背(bei)板(ban)、線卡連接器以及線卡本身的電氣應力，以確保最高的可靠性並保持這些係統的連續正常運行時間。

為此，熱插拔控製器曾(zeng)被(bei)斷(duan)言(yan)是(shi)為(wei)分(fen)布(bu)式(shi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)非(fei)常(chang)可(ke)行(xing)的(de)係(xi)統(tong)保(bao)護(hu)和(he)電(dian)氣(qi)管(guan)理(li)的(de)首(shou)選(xuan)方(fang)法(fa)
，特(te)別(bie)是(shi)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)服(fu)務(wu)器(qi)市(shi)場(chang)的(de)嚴(yan)格(ge)要(yao)求(qiu)。這(zhe)類(lei)應(ying)用(yong)的(de)熱(re)插(cha)拔(ba)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)特(te)點(dian)一(yi)般(ban)包(bao)括(kuo)：帶電板插入和拔出的安全控製（浪湧電流控製）、故障監測診斷和保護、精確的電氣（電壓、電流、功率）和環境（溫度）canshuceliang，yitigongmonihuoshuziyudeshishixitongyaoce。tebieshi，ruguoyigefuwuqijijiashangdeyigexiankafashengguzhang，gaiguzhangyingyugaitedingxiankaxianggeli
，zheyangjibuyingxiangxitongbeiban
，yebuyingxiangyoudaidianbeibangongdiandeqitaxianka。tongchangqingkuangxia，rechabakongzhiqilianjiedaoyixiaqijian：
• 與電源路徑串聯、用於啟動開/關功能的通路MOSFET
• 檢測電流的低阻值分流器

圖1顯(xian)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)服(fu)務(wu)器(qi)係(xi)統(tong)的(de)線(xian)卡(ka)接(jie)口(kou)和(he)熱(re)插(cha)拔(ba)電(dian)路(lu)原(yuan)理(li)圖(tu)，它(ta)代(dai)表(biao)了(le)隨(sui)後(hou)討(tao)論(lun)中(zhong)的(de)模(mo)板(ban)。我(wo)們(men)在(zai)此(ci)並(bing)不(bu)討(tao)論(lun)邊(bian)緣(yuan)卡(ka)到(dao)背(bei)板(ban)連(lian)接(jie)器(qi)和(he)熱(re)插(cha)拔(ba)電(dian)路(lu)下(xia)遊(you)元(yuan)件(jian)的(de)詳(xiang)細(xi)描(miao)述(shu)。圖(tu)1所示的熱插拔控製器是專門為服務器和數據中心應用的電源而優化的。

圖1 典型的熱插拔電路配置

熱插拔斷路器故障

從本質上講，當檢測到故障和電流中斷期間的電流轉換率可能達到100A/μs或以上時，圖1中的通路MOSFET Q1將迅速被熱插拔控製器關閉。不過，輸入功率路徑的電源軌總線結構難免出現寄生電感（與電源母線的長度和固有環路麵積有關）。儲(chu)存(cun)在(zai)該(gai)電(dian)感(gan)的(de)能(neng)量(liang)將(jiang)轉(zhuan)移(yi)到(dao)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)其(qi)他(ta)元(yuan)件(jian)，以(yi)產(chan)生(sheng)過(guo)壓(ya)動(dong)態(tai)行(xing)為(wei)。該(gai)動(dong)態(tai)最(zui)準(zhun)確(que)地(di)表(biao)現(xian)為(wei)從(cong)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)到(dao)有(you)效(xiao)電(dian)路(lu)電(dian)容(rong)的(de)能(neng)量(liang)共(gong)振(zhen)轉(zhuan)移(yi)
，它(ta)是(shi)隨(sui)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)固(gu)有(you)電(dian)阻(zu)（寄生或以其他方式）提(ti)供(gong)的(de)阻(zu)尼(ni)而(er)出(chu)現(xian)的(de)。這(zhe)遵(zun)循(xun)了(le)法(fa)拉(la)第(di)定(ding)律(lv)的(de)典(dian)型(xing)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)電(dian)壓(ya)過(guo)衝(chong)，它(ta)建(jian)立(li)的(de)一(yi)個(ge)常(chang)常(chang)被(bei)忽(hu)視(shi)的(de)潛(qian)在(zai)損(sun)壞(huai)性(xing)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)仍(reng)會(hui)在(zai)係(xi)統(tong)上(shang)危(wei)及(ji)熱(re)插(cha)拔(ba)MOSFET
、熱插拔控製器和下遊電路的可靠性。

由於在檢測到故障之前允許建立起盡可能高的電流，圖1中電路的輸出兩端直接拉低的零阻抗短路尤其麻煩。在短路故障響應時間之後，通路MOSFET最終是由“斷路器”故障條件下的熱插拔控製器命令關閉的，同時正向電流迅速被中斷。

我們總需要一個電壓鉗位來限製過壓幅值。當MOSFET關斷時，寄生能量必須倒入鉗位電路。非鉗位的過壓峰值近似值可以用下式計算：

式中IP是電路中斷之前的輸入電流

，ZO是等效LC電路的特性阻抗。可以這樣說
，雖然本地輸入旁路電容Cin因可降低ZO而有一定好處，但它通常不利於電容器的可靠性，因為實際上很少有電流脈衝對插入/熱插拔卡上的Cin充電。由於電容器的位置在熱插拔電路之前
，因此它所代表的是對係統級可靠性的關注，且通常未被安裝。

熱插拔係統的TVS二極管

為了防止在這些條件下損壞脆弱的下遊元件，分流保護配置中從VIN至GND處連接了響應速度快的單向TVS（瞬態電壓抑製）矽二極管
，如圖1所示。TVS二極管類似於齊納二極管，但優化了片芯元件（die element）麵積和鍵合（bonding），可應付在雪崩擊穿（ABD）期間出現的大浪湧電流和峰值功耗。這些器件的電氣測試和篩選因目標應用的差別而不同。

在熱插拔應用中，TVS主要用作需要被中斷的差模電流的接地分流路徑。[page]
這類熱插拔應用中的邊界限製TVS由下列參數驅動：
• 電氣特性
- 獨立的關斷電壓VR（等於或高於直流或連續工作電壓峰值水平）；
- 峰值脈衝功率PPP（與有源p-n結麵積有關）；
- 所承受峰值脈衝電流IP（斷路器故障）的鉗位電壓VC(max)；
- 影響所需電壓開銷的銳度I–V曲線；

• 機械特性
- 有限的可用PC板麵積
；
- 元件的外形尺寸（麵積和高度）規格
；
- 熱和散熱性能；

• 成本
由Littelfuse帶來的適合保護圖1所示電路的TVS相關參數列於表1。這個TVS的分段線性近似I-V特性曲線
，如圖2所示。反向擊穿電壓VBR和切斷電壓VR分別決定哪一個TVS器件開啟和關閉（導通狀態和高阻抗）。鉗位電壓VC(max)與額定峰值脈衝電流IPP的乘積等於標稱TVS額定功率。電路脈衝電流的幅值IP的實際鉗位電壓由公式（2）給出。

等式括號中的量是ABD期間的TVS動態阻抗Rd。請注意，較高額定功率的TVS將為給定VC(max)提供較高的IPP，並將因此得到較低的動態阻抗。所以，如果需要更陡峭的下降(sharper knee)

，比較有利的方法是完全基於峰值功率規格選擇一個比通常所需值更大的TVS。特別相關的TVS品質因數(FOM)是鉗位因數CF=VC(max)/VBR，以及電壓鉗位比VC(max)/VR。

圖2 TVS線性化I-V特性曲線(單向TVS，陰極端子定義為陽性)

* VR = 90% VBR(min)。VBR(min)≈ 90% VBR(max)。
** VC(max)通常為145% VBR(min)。
*** PPP額定值的規定條件是TA=25℃
，而在0.01%占空比重複率條件下

，隨10/1000μs參考波形從25℃至150℃線性下降。

表1：熱插拔電路TVS元件的規格和細節（Littelfuse5.0SMDJ15A）

典型雙指數10/1000μs測試波形（10μs為波前時間（front time），1000μs為半峰值下降時間）與TVS PPP額定值通常是根據上世紀60年代末貝爾實驗室規範規定的。該脈衝是一個非重複性單脈衝（one-shot）事件，或者在最壞情況下隨非常低的占空比（如0.01％）進行重複，這樣片芯的熱平衡時間常數可以使片芯在下一個脈衝到來之前冷卻回到環境溫度。10/1000μs參考以外的脈衝持續時間規格可以使用PPP與td的曲線得出，實例如圖3（a）所示。這是公認的典型Wunsch-Bell雙對數圖 ，其中脈衝持續時間長達約1毫秒
，PPP和td的相互關係由公式（3）得出。正如預期的那樣，TVS可以在較短脈衝寬度維持較高的峰值功率水平。

C是與TVS大小相關的一個比例常數。在ABD期間PPP和IPP通常與TVS片芯結點大小成正比，所以不同PPP額定值的器件通常會沿功率軸垂直增加
，同時保留與如圖3（a）相同的負斜率。係數K取決於電流波形的形狀，且基於能量e，見公式（4）；係數K或取決於整個脈衝持續時間的電流波形麵積。三角、雙指數，以及半正弦波波脈衝的K係數分別為方波脈衝的2、1.5和1.33倍。因此
，三角波電流的TVS具有比數據表引用的10/1000μs波形放大了1.33倍的PPP與td關係曲線。
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在熱插拔電路中實現的TVS電流下降到零的時間tp由電路寄生電感L控製的，如公式（5）所示。由於電流衰減是線性的
，電流波形為三角形，由公式（6）給出。


圖3（b）所示的是隨環境溫度增加的PPP熱降額。重要的是要牢記，PCB到（表麵貼裝）TVS的焊接主要起散熱作用。因此，TVS可以采用覆銅多邊形、平麵和散熱通孔
，這些都已於主板PCB層ceng堆dui疊die時shi提ti供gong，可ke改gai善shan其qi熱re特te性xing。不bu過guo，如ru果guo在zai重zhong複fu脈mai衝chong鉗qian位wei過guo程cheng中zhong存cun在zai穩wen態tai功gong耗hao，板ban級ji熱re設she計ji就jiu變bian得de很hen重zhong要yao了le。當dang發fa生sheng故gu障zhang時shi，熱re插cha拔ba控kong製zhi器qi設she計ji應ying該gai通tong過guo鎖suo斷duan來lai減jian少shao熱re量liang，或huo通tong過guo在zai重zhong試shi被bei啟qi動dong可ke提ti供gong足zu夠gou打da嗝ge時shi間jian的de情qing況kuang下xia來lai做zuo到dao這zhe一yi點dian。

圖3 Littelfuse 5.0SMDJ15A TVS(a)峰值脈衝功率與脈衝持續時間，(b)熱降額特性

TVS的選擇程序

熱插拔電路應用的TVS的明智選擇可從以下幾個方麵（迭代）獲得：
1. 用切斷電壓VR選擇單向TVS，該電壓等於或大於直流或連續峰值工作母線電壓水平。14V或15V TVS適合低阻抗12VDC±10％的服務器係統輸入總線。
2. 根據熱插拔控製器斷路器閾值電壓、響應時間和所選分流電阻器來確定峰值脈衝電流水平IP。
3. 利用公式（2）
、由第2步和相關數據表參數給定的IP水平來計算電路鉗位電壓VC。VC是否足夠低？如果不是，另一種方法是使用一個較大的TVS，以獲得較陡峭的下降。請注意，VC的電壓溫度係數與VBR類似（例如在75℃的工作環境條件下，0.1%/℃意味著該係數增加了5％）。
4. 計算出VC和IP的乘積
，以獲得由TVS維持的實際峰值功率水平。
5. 利用公式（5）和已知的輸入寄生電感來確定三角脈衝波形的脈衝持續時間td（即衰減到零的時間）。
6. 使用類似圖3（a）曲線的第5步脈衝持續時間降額PPP。如前所述，三角脈衝電流波形可以實現比雙指數參考波形曲線高33％的脈衝功率。
7. 使用類似圖3（b）曲線的環境溫度降額PPP。同時應該考慮相鄰元件的相互熱效應。
8. 第7步的淨降額PPP是否實現了由第4步計算的實際TVS峰值功率的足夠設計餘量（至少50％）？如果沒有

，選擇一個較大的TVS並重複1-8步驟。

實驗結果

現在讓我們來使用捕獲的定量信息，並考慮基於輸入電壓範圍為12V±10%的LM25066熱插拔控製器評估板的可行實施方法。從前麵的討論得知, 高電流變化率在輸入路徑的寄生感抗中產生一個可能導致潛在破壞的瞬態尖峰
，這個尖峰在LM25066關斷旁路MOSFET時刻疊加在VIN和SENSE引腳之間。15V Littelfuse TVS 5.0SMDJ15A應盡可能靠近IC連接在輸入兩端。25V MOSFET的雪崩額定值處在較高電壓水平。利用0.5mΩ分流電阻
，LM25066可在50A條件下提供有功電流限製（25mV電流限製閾值電壓），以及90A條件下的快速動作電路斷路器功能（45mV斷路器閾值電壓）。斷路器故障（輸出短路）期間的相關電流和電壓波形如圖4的示波器波形所示。

圖4 輸出短路引起的熱插拔斷路器故障的示波器波形

在短路故障條件下
，隨著來自其45A初始穩態水平輸入電流的增加，電源軌阻抗引起輸入電壓（見褐色電壓軌跡）下跌。當輸入電流達到90A時，通路MOSFET關斷（見綠色電流軌跡）。在這個瞬間，由於一些寄生引線電感會出現輸入電壓初始尖峰，但很快就在約18V時被TVS鉗位了。由於TVS的動態阻抗，隨著TVS電流降至接近零，鉗位電壓略有降低。TVS電流下降到零所需的時間為11μs，而這是為TVS選擇的脈衝持續時間td。從公式（5）得出的電流擺率和18V的鉗位電壓表明
，串聯寄生電感約為1.1μH，因此其在90A儲存的峰值能量是8.9mJ（兆焦耳）。這個能量也相當於圖4中TVS瞬時功率波形的麵積。

雖然每個熱插拔應用中不一定必需
，但TVS應該是高電流係統中考慮的基本電路元件，這樣才能提高瞬態電路故障期間的耐用性和可靠性。