面向熱插拔應用的穩健MOSFET
熱插拔電路主要用於高可用性系統，例如資料中心和電信基礎設施。在高可用性系統中採用熱插拔電路時，即使需要更換或添加元件以維持系統運行，系統也不會中斷運行。
對於電信伺服器應用而言，高功率和高冗餘至關重要，此時就需要熱插拔控制器來調控浪湧電流。在電信伺服器應用中，背板終端電壓主流為48V和12V。在典型的12V背板系統中，由冗餘電源組成，每個電源通過Oring MOSFET與並聯的熱插拔模組相連。MOSFET在熱插拔應用中扮演著核心角色； 本文將依據ADI公司的12V ADM1278熱插拔電路評估MOSFET的行為。
圖1顯示熱插拔過程中通常會產生較大的瞬態電流（可達數百安培），用於給輸出電容充電，這就要求MOSFET在線性工作模式下具備強大的SOA能力。
圖｜多模組電信伺服器熱插拔應用
當熱插拔模組（如圖2所示）插入12V背板時，控制器的GATE引腳會向MOSFET的柵極以及外部的Rgate和Cgate提供恒定的24uA電流Ig。一旦GATE電壓達到MOSFET的閾值電壓VT，由於GATE引腳與Vout節點之間的Cgs電壓將保持不變,Ig僅會對外部的Cgate和MOSFET內部的Crss進行充電。這與開關電源中MOSFET的密勒平臺效應相似。
圖｜熱插拔電路原理圖
輸出電容CL所引起的浪湧電流Iin可由下列方程（1、2）表示：其中'n'代表並聯的MOSFET數量。
與傾向於低Qgd的開關電源應用不同，在熱插拔應用中，較大的Qgd有助於減小浪湧電流。另一方面，浪湧電流還取決於並聯MOSFET的數量、輸出電容CL的值以及負載電流。並聯MOSFET越少，輸出電容越大，則MOSFET承受的浪湧電流應力越大。以下是不同情況下AOS熱插拔評估板上的測試波形。圖3a顯示，較大的CL會導致更大的浪湧電流（綠色曲線），而圖3b則表明，並聯MOSFET數量的增加會減少總浪湧電流（綠色曲線）。
图3a｜空载及不同输出CL下的启动波形对比
圖3b｜空載、相同CL 50μF、不同並聯數MOSFET的啟動波形對比
電信-伺服器熱插拔應用通常涉及較大供電電流；因此，低Rdson的MOSFET是最優選擇。為了確保系統在啟動和短路條件下的穩健性，MOSFET在線性工作模式下承受高電壓和電流應力時，需要有較大的安全工作區（SOA）。
圖4顯示，由於相對較大的Crss，AONS32310的浪湧電流低於競品。這有利於放寬系統對浪湧電流的限制設置，而較低的Rdson意味著更高的整體效率。即便輸出電容值和輸入電壓增加，AONS32310仍能正常工作，而同類競品則無法工作。
圖 4｜空載、相同CL 70μF的啟動波形對比
圖5重現了一種最惡劣情況：MOSFET處於導通狀態且溫度達到100°C的熱平衡點。此時，熱插拔控制器會進行復位，重新開啟MOSFET，而MOSFET處於較高溫度（100°C）
圖5｜在100°C暗室中相同50μF CL的空載啟動波形對比
這些最惡劣條件測試結果表明了：與競品相比，AOS的MOSFET在熱插拔應用中更加穩健可靠。由於MOSFET上耗散的能量幾乎等於輸出CL中儲存的能量，AOS建議使用下面方程來評估SOA能力的穩健性。
另一方面，如果採用相同的浪湧電流限制，AONS32100將表現出與競品C幾乎相同的啟動波形，但需調整外部的Cgate和Rgate。在熱插拔應用中，Ciss不會影響線性模式下的柵極電壓。MOSFET已完全導通，柵極電壓的最小延遲不會影響系統的效率和性能。
即使是頂級MOSFET也無法承受故障條件，比如幾秒鐘的輸出短路。因此，熱插拔控制器需要通過檢測電流和電壓應力來儘快關斷MOSFET。Analog Devices的ADM1278具備過流和過功率保護功能。在過功率情況下，控制器不會關斷MOSFET，直至故障計時器電壓達到1V的故障閾值。該計時器可根據MOSFET的SOA設定，讓設計人員能夠靈活選擇符合系統需求的MOSFET，並避免在啟動和瞬態期間不必要的關斷。圖6展示了一系列基於AOS評估板的OCP和OPP事件。從波形可以看出，在最壞情況下，AONS32100在線性工作模式下可以承受42A / 9V超過20ms的短路故障。
圖6｜短路條件及保護
目前，為滿足社會發展日益增長的資料處理需求和網路通信的穩定性要求，資料中心、電信基礎設施和存儲系統伺服器正朝著更高功率密度、更高效率、增強冗余和容錯能力和安全性等方向發展。熱插拔技術對於保持伺服器的持續運行和減少停機時間至關重要，尤其是在需要24/7不間斷服務的環境中。對於即使在最惡劣情況下也要確保高可用性的熱插拔應用，選擇穩健的MOSFET至關重要。高SOA和低Rdson有助於提高效率，增強系統的魯棒性。
針對伺服器48V輸入電壓的熱插拔和緩啟動的應用需求，AOS 特別優化了MOSFET的電氣性能及封裝，即將正式推出TOLL封裝的解決方案-AOTL66935，其具有高度強壯的線性模式區SOA能力，以及1.9mΩ Rds(on)_max的低導通電阻，可減少功率損耗和散熱需求，符合日益嚴格的能效標準; 同時TOLL 封裝也能夠進一步提升散熱性能，有更高的可靠性，耐用性強，適合長時間運行在伺服器環境中。
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