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热插拔可靠性的新标准 大多数热插拔系统都有一些内在的故障机理，一个是功率FET 的安全工作区(SOA)问题，另一个是在电流流过时拔出器件承受感应尖峰(inductive spike)的能力问题。本文介绍不采用高额定值的功率器件和短路引脚，而通过使用一个集成的热插拔器件来解决这两个问题。 典型的热插拔控制器采用称为断路器(circuit breaker)的方案来保护电路及其FET。该方法使用双电平限流使器件能在浪涌电流下工作，并在发生短路时仍可快速关断。在这类电路中，FET 处于开或关状态。这是一种行之有效的保护连接电路和功率FET 的方法，但是需要电路设计工程师推测来确定过流情况发生时间的长短。这种方法也比其它方法更可能引起跳闸。由于与保护FET 相关的不确定性，这种方法一般会使功率器件的尺寸过大。 一个替代的方法是在浪涌发生时将FET 用作线性限流器件，其优点在于可以保护连接电路并更能 使用单片控制器和FET 可以直接检测FET 裸片区域的温度。裸片温度是防止FET 出现各种热过应力(overstress)的一个变量。单个控制器和FET 不能检测裸片温度，而必须考虑漏极到源极的电压范围、大概的漏极电流以及脉冲持续时间和FET 热路径的范围以防止功率器件热过应力。这种解决方案可以保护FET，但是由于变量过多而且不了解个别精确信息，因此需要比实际所需的更大的FET。 该器件使用诸如NIS5101 的混合解决方案，可以承受任何电压和电流(不超过最大器件电压额定值)且仍处于其SOA 范围之内。图1 显示该器件的典型裸片布局。数个正向偏压二极管用作温度检测器件，这些二极管具有负温度特性。测量正向压降并与参考电压相比较，以确定器件是否已达到其135℃的最高温度。
该电路需要几微秒来对故障产生响应。该器件的封装为D2PAK，其热时间常数约为200ms。时间延迟使最高温度最多仅可超过跳闸点几度，这取决于器件的功耗。在跳闸点和裸片最大额定值之间有40 度的容限，所以不会存在损坏裸片的危险。选择135℃的最高温度，以保持引脚温度为105℃或更低，从而确保故障时间延长时，电路板不会遭受热损坏。该电路可以以迟滞模式来限制温度-不固定地在135℃和95℃之间进行转换(自动重试模式)， 或者在达到135℃极限时可以闭锁。 我们使器件短路20 秒并去除负载15 秒，对40 个样品进行测试。10,000 个短路周期之后，并未发生故障。因为电路使用了自动重试器件且提供给FET 的功率约为250 瓦，电路热量在20 秒短路中循环多次。这就在测试器件中总共进行了8 亿次热循环。 许多热插拔解决方案因功率FET 电压的上升或下降时间缓慢而发生故障。在这一阶段产生大量的功耗，所以在许多设计中很可能超过功率FET 的SOA。由于SMART HotPlug(智能热插拔)器件中使用热保护方案，FET 不会因打开或闭合时的缓慢变化而损坏。在最糟糕的情况下，器件只要达到其热极限就会关断。
图2 显示了当负载电容(4,200uF)充电时，电流达到其限制电平并保持恒定。8ms 之后，FET 裸片达到其最高温度且器件关断。10ms 之后，裸片温度下降到95℃且器件重新工作。这将持续4 个周期，直至电容完全充电。请注意每个导电周期逐步延长，这是因为FET 中的功率下降。电流保持不变，但是漏极到源极的电压下降，因此功率下降。 当器件从系统中拔出，而电流正通过该器件时，将产生另一种故障模式。当电源转换器发生短路且将其拔去时，会发生这种情况，拔去器件会因为系统电感中存储的电能可产生很大的应力。现在一些热插拔控制器使用带外部电阻的并联稳压器保护芯片，但这种解决方案因为需要外部功率电阻，增加了系统成本。其它系统使用短路引脚，这也增加了系统的复杂度。 采用分立半导体工艺来设计热插拔器件，由于其几何尺寸较大，因而提供了更为坚固的解决方案，这个单片器件可以承受更高的能量，因为它建立在较大的几何尺寸的半导体工艺上，而不是较小尺寸的模拟工艺，而且功率器件吸收了大部分感应能量。 SMART HotPlug 器件针对为非钳位感应尖峰(UIS)进行了测试和评估。NIS5101 可以承受感应电能，因为系统电感处于100uH 至10mH 之间，电感的大小取决于拔出时的电流大小。 本文小结 单片功率器件极为稳健，而且可以解决诸多与模拟控制器/功率FET 解决方案相关的可靠性问题，包括能够承受电感尖峰、缓慢打开和闭合转换以
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