中心議題：
- 熱插拔電路保護(hù)
- 熱插拔斷路器故障
- 熱插拔系統(tǒng)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二極管鉗位的理由。作者利用典型系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出的瞬態(tài)電壓波形為基礎(chǔ)研究提供了關(guān)鍵參數(shù)，并介紹了選擇系統(tǒng)保護(hù)元件的主要步驟。
熱插拔電路保護(hù)
下一代高性能刀片服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、存儲(chǔ)和通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)使用的電源系統(tǒng)讓人們感覺到一種需求——對(duì)速度的需求！具體來說，不斷提高的處理器時(shí)鐘速率和數(shù)據(jù)吞吐量的長(zhǎng)期趨勢(shì)顯而易見。除非全球?qū)Ω邘挃?shù)據(jù)的貪婪需求有所改變，這種趨勢(shì)很可能一直繼續(xù)下去。不幸的是，這些系統(tǒng)所消耗的功率高得驚人，而冷卻這些系統(tǒng)的成本又在迅速攀升。因此，重點(diǎn)在于系統(tǒng)和設(shè)施級(jí)別的能源監(jiān)測(cè)和節(jié)能。此外，當(dāng)務(wù)之急是必須了解系統(tǒng)背板、線卡連接器以及線卡本身的電氣應(yīng)力，以確保最高的可靠性并保持這些系統(tǒng)的連續(xù)正常運(yùn)行時(shí)間。
為此，熱插拔控制器曾被斷言是為分布式電源系統(tǒng)提供非常可行的系統(tǒng)保護(hù)和電氣管理的首選方法，特別是可以滿足服務(wù)器市場(chǎng)的嚴(yán)格要求。這類應(yīng)用的熱插拔控制器的特點(diǎn)一般包括：帶電板插入和拔出的安全控制（浪涌電流控制）、故障監(jiān)測(cè)診斷和保護(hù)、精確的電氣（電壓、電流、功率）和環(huán)境（溫度）參數(shù)測(cè)量，以提供模擬或數(shù)字域的實(shí)時(shí)系統(tǒng)遙測(cè)。特別是，如果一個(gè)服務(wù)器機(jī)架上的一個(gè)線卡發(fā)生故障，該故障應(yīng)與該特定線卡相隔離，這樣既不影響系統(tǒng)背板，也不影響由帶電背板供電的其他線卡。通常情況下，熱插拔控制器連接到以下器件：
• 與電源路徑串聯(lián)、用于啟動(dòng)開/關(guān)功能的通路MOSFET
• 檢測(cè)電流的低阻值分流器
圖1顯示了一個(gè)典型服務(wù)器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔電路原理圖，它代表了隨后討論中的模板。我們?cè)诖瞬⒉挥懻撨吘壙ǖ奖嘲暹B接器和熱插拔電路下游元件的詳細(xì)描述。圖1所示的熱插拔控制器是專門為服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源而優(yōu)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(zhì)上講，當(dāng)檢測(cè)到故障和電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換率可能達(dá)到100A/μs或以上時(shí)，圖1中的通路MOSFET Q1將迅速被熱插拔控制器關(guān)閉。不過，輸入功率路徑的電源軌總線結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)寄生電感（與電源母線的長(zhǎng)度和固有環(huán)路面積有關(guān)）。儲(chǔ)存在該電感的能量將轉(zhuǎn)移到電路中的其他元件，以產(chǎn)生過壓動(dòng)態(tài)行為。該動(dòng)態(tài)最準(zhǔn)確地表現(xiàn)為從寄生電感到有效電路電容的能量共振轉(zhuǎn)移，它是隨電路中的固有電阻（寄生或以其他方式）提供的阻尼而出現(xiàn)的。這遵循了法拉第定律的典型感性負(fù)載電壓過沖，它建立的一個(gè)常常被忽視的潛在損壞性電壓瞬變?nèi)詴?huì)在系統(tǒng)上危及熱插拔MOSFET、熱插拔控制器和下游電路的可靠性。
由于在檢測(cè)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(yīng)時(shí)間之后，通路MOSFET最終是由“斷路器”故障條件下的熱插拔控制器命令關(guān)閉的，同時(shí)正向電流迅速被中斷。
我們總需要一個(gè)電壓鉗位來限制過壓幅值。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，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(jì)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?？梢赃@樣說，雖然本地輸入旁路電容Cin因可降低ZO而有一定好處，但它通常不利于電容器的可靠性，因?yàn)閷?shí)際上很少有電流脈沖對(duì)插入/熱插拔卡上的Cin充電。由于電容器的位置在熱插拔電路之前，因此它所代表的是對(duì)系統(tǒng)級(jí)可靠性的關(guān)注，且通常未被安裝。
熱插拔系統(tǒng)的TVS二極管
為了防止在這些條件下?lián)p壞脆弱的下游元件，分流保護(hù)配置中從VIN至GND處連接了響應(yīng)速度快的單向TVS（瞬態(tài)電壓抑制）硅二極管，如圖1所示。TVS二極管類似于齊納二極管，但優(yōu)化了片芯元件（die element）面積和鍵合（bonding），可應(yīng)付在雪崩擊穿（ABD）期間出現(xiàn)的大浪涌電流和峰值功耗。這些器件的電氣測(cè)試和篩選因目標(biāo)應(yīng)用的差別而不同。
在熱插拔應(yīng)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(yīng)用中的邊界限制TVS由下列參數(shù)驅(qū)動(dòng)：
• 電氣特性
- 獨(dú)立的關(guān)斷電壓VR（等于或高于直流或連續(xù)工作電壓峰值水平）；
- 峰值脈沖功率PPP（與有源p-n結(jié)面積有關(guān)）；
- 所承受峰值脈沖電流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(jī)械特性
- 有限的可用PC板面積；
- 元件的外形尺寸（面積和高度）規(guī)格；
- 熱和散熱性能；
• 成本
由Littelfuse帶來的適合保護(hù)圖1所示電路的TVS相關(guān)參數(shù)列于表1。這個(gè)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(gè)TVS器件開啟和關(guān)閉（導(dǎo)通狀態(tài)和高阻抗）。鉗位電壓VC(max)與額定峰值脈沖電流IPP的乘積等于標(biāo)稱TVS額定功率。電路脈沖電流的幅值IP的實(shí)際鉗位電壓由公式（2）給出。
等式括號(hào)中的量是ABD期間的TVS動(dòng)態(tài)阻抗Rd。請(qǐng)注意，較高額定功率的TVS將為給定VC(max)提供較高的IPP，并將因此得到較低的動(dòng)態(tài)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于峰值功率規(guī)格選擇一個(gè)比通常所需值更大的TVS。特別相關(guān)的TVS品質(zhì)因數(shù)(FOM)是鉗位因數(shù)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(guī)定條件是TA=25℃，而在0.01%占空比重復(fù)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(guī)格和細(xì)節(jié)（Littelfuse5.0SMDJ15A）
典型雙指數(shù)10/1000μs測(cè)試波形（10μs為波前時(shí)間（front time），1000μs為半峰值下降時(shí)間）與TVS PPP額定值通常是根據(jù)上世紀(jì)60年代末貝爾實(shí)驗(yàn)室規(guī)范規(guī)定的。該脈沖是一個(gè)非重復(fù)性單脈沖（one-shot）事件，或者在最壞情況下隨非常低的占空比（如0.01％）進(jìn)行重復(fù)，這樣片芯的熱平衡時(shí)間常數(shù)可以使片芯在下一個(gè)脈沖到來之前冷卻回到環(huán)境溫度。10/1000μs參考以外的脈沖持續(xù)時(shí)間規(guī)格可以使用PPP與td的曲線得出，實(shí)例如圖3（a）所示。這是公認(rèn)的典型Wunsch-Bell雙對(duì)數(shù)圖 ，其中脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約1毫秒，PPP和td的相互關(guān)系由公式（3）得出。正如預(yù)期的那樣，TVS可以在較短脈沖寬度維持較高的峰值功率水平。
C是與TVS大小相關(guān)的一個(gè)比例常數(shù)。在ABD期間PPP和IPP通常與TVS片芯結(jié)點(diǎn)大小成正比，所以不同PPP額定值的器件通常會(huì)沿功率軸垂直增加，同時(shí)保留與如圖3（a）相同的負(fù)斜率。系數(shù)K取決于電流波形的形狀，且基于能量e，見公式（4）；系數(shù)K或取決于整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間的電流波形面積。三角、雙指數(shù)，以及半正弦波波脈沖的K系數(shù)分別為方波脈沖的2、1.5和1.33倍。因此，三角波電流的TVS具有比數(shù)據(jù)表引用的10/1000μs波形放大了1.33倍的PPP與td關(guān)系曲線。
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在熱插拔電路中實(shí)現(xiàn)的TVS電流下降到零的時(shí)間tp由電路寄生電感L控制的，如公式（5）所示。由于電流衰減是線性的，電流波形為三角形，由公式（6）給出。
圖3（b）所示的是隨環(huán)境溫度增加的PPP熱降額。重要的是要牢記，PCB到（表面貼裝）TVS的焊接主要起散熱作用。因此，TVS可以采用覆銅多邊形、平面和散熱通孔，這些都已于主板PCB層堆疊時(shí)提供，可改善其熱特性。不過，如果在重復(fù)脈沖鉗位過程中存在穩(wěn)態(tài)功耗，板級(jí)熱設(shè)計(jì)就變得很重要了。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，熱插拔控制器設(shè)計(jì)應(yīng)該通過鎖斷來減少熱量，或通過在重試被啟動(dòng)可提供足夠打嗝時(shí)間的情況下來做到這一點(diǎn)。
圖3 Littelfuse 5.0SMDJ15A TVS(a)峰值脈沖功率與脈沖持續(xù)時(shí)間，(b)熱降額特性
TVS的選擇程序
熱插拔電路應(yīng)用的TVS的明智選擇可從以下幾個(gè)方面（迭代）獲得：
1. 用切斷電壓VR選擇單向TVS，該電壓等于或大于直流或連續(xù)峰值工作母線電壓水平。14V或15V TVS適合低阻抗12VDC±10％的服務(wù)器系統(tǒng)輸入總線。
2. 根據(jù)熱插拔控制器斷路器閾值電壓、響應(yīng)時(shí)間和所選分流電阻器來確定峰值脈沖電流水平IP。
3. 利用公式（2）、由第2步和相關(guān)數(shù)據(jù)表參數(shù)給定的IP水平來計(jì)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(gè)較大的TVS，以獲得較陡峭的下降。請(qǐng)注意，VC的電壓溫度系數(shù)與VBR類似（例如在75℃的工作環(huán)境條件下，0.1%/℃意味著該系數(shù)增加了5％）。
4. 計(jì)算出VC和IP的乘積，以獲得由TVS維持的實(shí)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沖波形的脈沖持續(xù)時(shí)間td（即衰減到零的時(shí)間）。
6. 使用類似圖3（a）曲線的第5步脈沖持續(xù)時(shí)間降額PPP。如前所述，三角脈沖電流波形可以實(shí)現(xiàn)比雙指數(shù)參考波形曲線高33％的脈沖功率。
7. 使用類似圖3（b）曲線的環(huán)境溫度降額PPP。同時(shí)應(yīng)該考慮相鄰元件的相互熱效應(yīng)。
8. 第7步的凈降額PPP是否實(shí)現(xiàn)了由第4步計(jì)算的實(shí)際TVS峰值功率的足夠設(shè)計(jì)余量（至少50％）？如果沒有，選擇一個(gè)較大的TVS并重復(fù)1-8步驟。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
現(xiàn)在讓我們來使用捕獲的定量信息，并考慮基于輸入電壓范圍為12V±10%的LM25066熱插拔控制器評(píng)估板的可行實(shí)施方法。從前面的討論得知, 高電流變化率在輸入路徑的寄生感抗中產(chǎn)生一個(gè)可能導(dǎo)致潛在破壞的瞬態(tài)尖峰，這個(gè)尖峰在LM25066關(guān)斷旁路MOSFET時(shí)刻疊加在VIN和SENSE引腳之間。15V Littelfuse TVS 5.0SMDJ15A應(yīng)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制（25mV電流限制閾值電壓），以及90A條件下的快速動(dòng)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(guān)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(wěn)態(tài)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(dāng)輸入電流達(dá)到90A時(shí)，通路MOSFET關(guān)斷（見綠色電流軌跡）。在這個(gè)瞬間，由于一些寄生引線電感會(huì)出現(xiàn)輸入電壓初始尖峰，但很快就在約18V時(shí)被TVS鉗位了。由于TVS的動(dòng)態(tài)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(shí)間為11μs，而這是為TVS選擇的脈沖持續(xù)時(shí)間td。從公式（5）得出的電流擺率和18V的鉗位電壓表明，串聯(lián)寄生電感約為1.1μH，因此其在90A儲(chǔ)存的峰值能量是8.9mJ（兆焦耳）。這個(gè)能量也相當(dāng)于圖4中TVS瞬時(shí)功率波形的面積。
雖然每個(gè)熱插拔應(yīng)用中不一定必需，但TVS應(yīng)該是高電流系統(tǒng)中考慮的基本電路元件，這樣才能提高瞬態(tài)電路故障期間的耐用性和可靠性。
