引言
熱插拔(hot swapping)的定義是從一塊正在通電運作中的背板(backplane)上插入或移除電路板。這項技術被廣泛應用在電信伺服器(telecom servers)、USB介面、火線(firewire)介面和CompactPCI應用等[參考1]。這種技術可在維持系統背板的電壓下，更換發生故障的電路板，而同時系統中其他正常的電路板仍可保持運作。然而，在工作中的背板上進行熱插拔時，最危險之處便在於電路板上的電容器，因為它們可能只提供一個很低的阻抗路徑(impedance path)給電源，因此可能產生大的突波電流(inrush current)。突波電流將會損毀電路板上的電容、導線和連接器。此外，系統電壓亦可能會因突波電流而下降到系統重啟臨界值以下，導致其他連接著背板的電路板被重新啟動。
熱插拔控制器的設計原理，是利用控制一個外加FET(圖1)來限制突波電流。此外，在輸出短路到接地或發生劇烈負載暫態時的故障情況下，此控制器亦可限制電流。設計人員在選擇一個合適的FET時，通常都認為只要該FET能抵受DC電流負載和最大輸入電壓便足夠。但如果當問題發生在控制器，而該控制器又是唯一可控制電流的元件時，此類控制器在任何的操作條件下都無法確保FET處於安全操作範圍(SOA)內。本文將比較兩種控制器，一種僅具備電流限制的控制能力，而另一種則是同時擁有功率和電流限制控制能力的熱插拔控制器，例如美國國家半導體的LM5069。文中將展示不管在正常工作或者是短路故障情形下，只要將電流和功率限制的功能結集一起，就能夠確保FET在SOA的範圍內。
控制器
圖1所示為LM5069熱插拔控制器。當突波電流流經感測電阻器(Rsns)時會被感測到，而控制器將只會容許一個預定的最大電壓通過Rsns。假如電壓增加並超過這個最大電壓值時，控制器便會調整閘極電壓以維持電流處於該極限，而此極限電流會維持一段有限的時間，至於電流限制所容許的最長時間會因應故障檢測電流、故障臨界值和外加電容器來決定，並且通過計時器(TIMER)接腳來編程。一旦TIMER到達故障的臨界值，控制器便會關閉閘極，同時輸出會脫離系統的輸入電壓。系統欠壓和過壓會分別經由UVLO和OVLO接腳上的電阻分壓器檢測。這個元件可驗證輸入電壓是處於指定範圍，還是在欠壓臨界值以上或過壓臨界值以下。假如輸入電壓在指定範圍以外，閘極便會關閉。電源正常接腳(PGD)是一個開汲極(Open Drain)輸出。當輸出(VOUT)還有幾伏便到達輸入(VIN)時，開汲極接地型電阻元件(open drain pull down device)便會被關閉，而PGD會上拉到VOUT電軌。PGD輸出可以用來指示下游電路以表示VOUT電壓正處於 "正常"。PWR接腳上的電阻會決定通過FET的最大功率極限，稍後將再詳細討論此一功能。
圖1：LM5069熱插拔控制器
當在熱插拔事件或短路故障期間控制電流時，外建MOSFET必須保持在SOA範圍內以防止FET發生故障。圖3是Vishay的SUM40N15-38場效應管的SOA曲線[參考2]，圖中可見它的最大漏極到源極電壓(Vds)為110V，而在低的Vds時，電流會被FET的rDS(on)所限制。圖中所見隨時間量度出來的曲線便是FET的最大能量極限。
在SOA曲線上可以畫出一條直線(圖3中的紅線)來表示只有電流限制的控制器。在正常操作時(即Vds低)，電流會被限制到最大5A，而FET亦會在SOA範圍以內。可是，當Vds較大時，控制器的限制仍停留在相同的電流極限，而根據編程故障時間的長短，FET有可能走出SOA範圍以外。例如，假如系統的背板電壓是50V，電流限制設置成5A和編程故障時間為40ms時，輸出短路便可能導致FET的操作脫離SOA範圍。
圖4中的藍色曲線表示同時結合有電流和功率限制功能的LM5069。當中元件的編程電流限制被設定成5A，而功率限制則被設置成50W，至於故障時間再一次被編程到40ms。現在，當50V的輸出發生短路時，元件將不會再在電流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50V*1A=50W)。這時，FET將仍然在10ms的SOA曲線下面，防止FET發生故障(圖3中的藍色虛線)。同樣地，當一個熱插拔事件發生在50V輸出時，功率限制模式將會把FET維持在SOA範圍以內(圖3中的藍色虛線)。當Vds <10V時，元件將會進入電流限制模式，並全程為輸出提供所需的電流負載，以將FET保持在SOA以內。LM5069的功率限制功能只會當通過FET的功率意圖超越50W的編程限制時才會啟動，否則它只會通過電流限制功能來控制FET。
實測結果
在實驗中，LM5069和電流限制控制器電路板的實測波形都同樣地具備有50V的輸入、5A的電流限制和40ms的故障時間，而LM5069則多了一個50W的功率限制功能。兩個應用電路板最後都通過一個負載電阻器將輸出設成短路，從而使得Vds增加。
圖6所示為電流限制控制元件的波形。輸出負載將Vds增加到30V。在最初時，電流被限制在5A，但經過10ms後，FET出現故障並且輸入電壓短路到輸出電壓。輸入電壓阻止和將電流限制在電源的電流極限。即使計時器到達40ms的時限，但都不能關閉閘極，原因是FET已遭損毀。查看SOA曲線，會發現FET在Vds = 50V和Ids = 5A時只能承受一個10ms脈衝的時間，一旦FET因電流限制控制器而超過10ms時，FET便會發生故障。
正如圖7所示，輸出負載將Vds增加到45V，同時LM5069將流通FET的功率限制在50W。一旦計時器到達故障臨界值，元件便會關閉FET。在這個短路的情況下，LM5069能夠有效地在SOA曲線的範圍內控制FET。
圖8展示了在純電流限制的情況下，LM5069表現出多功能性。在這個情況下，輸出負載導致電流增加，但幅度不大所以不會使Vds增加。LM5069以電流限制的模式操作，並把電流限制在5A。當過了40ms的編程故障時間後，FET便會被關閉。同樣地，LM5069將FET控制在SOA範圍以內。
結論
具備電流限制能力的熱插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出現嚴重故障。為了防止FET超出SOA範圍，用戶需要選用比較大型的FET和散熱器以便得到可靠的故障保護。LM5069結合了具有編程能力的功率及電流限制能力，所以無需使用大型的外建FET，就能把FET維持在SOA的安全範圍內。
熱插拔(hot swapping)的定義是從一塊正在通電運作中的背板(backplane)上插入或移除電路板。這項技術被廣泛應用在電信伺服器(telecom servers)、USB介面、火線(firewire)介面和CompactPCI應用等[參考1]。這種技術可在維持系統背板的電壓下，更換發生故障的電路板，而同時系統中其他正常的電路板仍可保持運作。然而，在工作中的背板上進行熱插拔時，最危險之處便在於電路板上的電容器，因為它們可能只提供一個很低的阻抗路徑(impedance path)給電源，因此可能產生大的突波電流(inrush current)。突波電流將會損毀電路板上的電容、導線和連接器。此外，系統電壓亦可能會因突波電流而下降到系統重啟臨界值以下，導致其他連接著背板的電路板被重新啟動。
熱插拔控制器的設計原理，是利用控制一個外加FET(圖1)來限制突波電流。此外，在輸出短路到接地或發生劇烈負載暫態時的故障情況下，此控制器亦可限制電流。設計人員在選擇一個合適的FET時，通常都認為只要該FET能抵受DC電流負載和最大輸入電壓便足夠。但如果當問題發生在控制器，而該控制器又是唯一可控制電流的元件時，此類控制器在任何的操作條件下都無法確保FET處於安全操作範圍(SOA)內。本文將比較兩種控制器，一種僅具備電流限制的控制能力，而另一種則是同時擁有功率和電流限制控制能力的熱插拔控制器，例如美國國家半導體的LM5069。文中將展示不管在正常工作或者是短路故障情形下，只要將電流和功率限制的功能結集一起，就能夠確保FET在SOA的範圍內。
控制器
圖1所示為LM5069熱插拔控制器。當突波電流流經感測電阻器(Rsns)時會被感測到，而控制器將只會容許一個預定的最大電壓通過Rsns。假如電壓增加並超過這個最大電壓值時，控制器便會調整閘極電壓以維持電流處於該極限，而此極限電流會維持一段有限的時間，至於電流限制所容許的最長時間會因應故障檢測電流、故障臨界值和外加電容器來決定，並且通過計時器(TIMER)接腳來編程。一旦TIMER到達故障的臨界值，控制器便會關閉閘極，同時輸出會脫離系統的輸入電壓。系統欠壓和過壓會分別經由UVLO和OVLO接腳上的電阻分壓器檢測。這個元件可驗證輸入電壓是處於指定範圍，還是在欠壓臨界值以上或過壓臨界值以下。假如輸入電壓在指定範圍以外，閘極便會關閉。電源正常接腳(PGD)是一個開汲極(Open Drain)輸出。當輸出(VOUT)還有幾伏便到達輸入(VIN)時，開汲極接地型電阻元件(open drain pull down device)便會被關閉，而PGD會上拉到VOUT電軌。PGD輸出可以用來指示下游電路以表示VOUT電壓正處於 "正常"。PWR接腳上的電阻會決定通過FET的最大功率極限，稍後將再詳細討論此一功能。
圖1：LM5069熱插拔控制器
當在熱插拔事件或短路故障期間控制電流時，外建MOSFET必須保持在SOA範圍內以防止FET發生故障。圖3是Vishay的SUM40N15-38場效應管的SOA曲線[參考2]，圖中可見它的最大漏極到源極電壓(Vds)為110V，而在低的Vds時，電流會被FET的rDS(on)所限制。圖中所見隨時間量度出來的曲線便是FET的最大能量極限。
在SOA曲線上可以畫出一條直線(圖3中的紅線)來表示只有電流限制的控制器。在正常操作時(即Vds低)，電流會被限制到最大5A，而FET亦會在SOA範圍以內。可是，當Vds較大時，控制器的限制仍停留在相同的電流極限，而根據編程故障時間的長短，FET有可能走出SOA範圍以外。例如，假如系統的背板電壓是50V，電流限制設置成5A和編程故障時間為40ms時，輸出短路便可能導致FET的操作脫離SOA範圍。
圖4中的藍色曲線表示同時結合有電流和功率限制功能的LM5069。當中元件的編程電流限制被設定成5A，而功率限制則被設置成50W，至於故障時間再一次被編程到40ms。現在，當50V的輸出發生短路時，元件將不會再在電流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50V*1A=50W)。這時，FET將仍然在10ms的SOA曲線下面，防止FET發生故障(圖3中的藍色虛線)。同樣地，當一個熱插拔事件發生在50V輸出時，功率限制模式將會把FET維持在SOA範圍以內(圖3中的藍色虛線)。當Vds <10V時，元件將會進入電流限制模式，並全程為輸出提供所需的電流負載，以將FET保持在SOA以內。LM5069的功率限制功能只會當通過FET的功率意圖超越50W的編程限制時才會啟動，否則它只會通過電流限制功能來控制FET。
實測結果
在實驗中，LM5069和電流限制控制器電路板的實測波形都同樣地具備有50V的輸入、5A的電流限制和40ms的故障時間，而LM5069則多了一個50W的功率限制功能。兩個應用電路板最後都通過一個負載電阻器將輸出設成短路，從而使得Vds增加。
圖6所示為電流限制控制元件的波形。輸出負載將Vds增加到30V。在最初時，電流被限制在5A，但經過10ms後，FET出現故障並且輸入電壓短路到輸出電壓。輸入電壓阻止和將電流限制在電源的電流極限。即使計時器到達40ms的時限，但都不能關閉閘極，原因是FET已遭損毀。查看SOA曲線，會發現FET在Vds = 50V和Ids = 5A時只能承受一個10ms脈衝的時間，一旦FET因電流限制控制器而超過10ms時，FET便會發生故障。
正如圖7所示，輸出負載將Vds增加到45V，同時LM5069將流通FET的功率限制在50W。一旦計時器到達故障臨界值，元件便會關閉FET。在這個短路的情況下，LM5069能夠有效地在SOA曲線的範圍內控制FET。
圖8展示了在純電流限制的情況下，LM5069表現出多功能性。在這個情況下，輸出負載導致電流增加，但幅度不大所以不會使Vds增加。LM5069以電流限制的模式操作，並把電流限制在5A。當過了40ms的編程故障時間後，FET便會被關閉。同樣地，LM5069將FET控制在SOA範圍以內。
結論
具備電流限制能力的熱插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出現嚴重故障。為了防止FET超出SOA範圍，用戶需要選用比較大型的FET和散熱器以便得到可靠的故障保護。LM5069結合了具有編程能力的功率及電流限制能力，所以無需使用大型的外建FET，就能把FET維持在SOA的安全範圍內。
