熱插拔的定義是在帶電運行的背板中插入或移除電路板。熱插拔技術已被廣泛應用到電信服務器、USB接口、火線(firewire)和CompactPCI中。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，并保證系統中其他正常的電路板仍可保持運作。在工作中的背板上進行熱插拔時，最大的風險在于電路板上的電容器會給電源造成一個低阻抗路徑，從而引發大的浪涌電流。浪涌電流可以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浪涌電流而下降到系統重置閾值以下，使得其他連接著背板的電路板也無故重置。
熱插拔控制器通過控制一個外加FET(見圖1)來限制浪涌電流。此外，這個控制器可在輸出短路到接地或發生大型負載瞬變的情況下對電流做出限制。設計人員在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。可是，如果控制器發生故障并且該控制器又是唯一可控制電流的器件，那這類控制器在任何的操作條件下都不能確保FET處于安全運作范圍(SOA)內。本文將比較兩類控制器，一類只具備有電流限制的控制能力，而另一類是可同時擁有功率和電流限制的控制能力熱插拔控制器，如美國國家半導體的LM5069。
圖1 LM5069熱插拔控制器
控制器
圖1所示為LM5069熱插拔控制器。當浪涌電流流經傳感電阻器(Rsns)時會被感測到，而控制器只會容許一個預定的最大電壓通過Rsns。假如電壓增加并超過這個最大電壓值時，控制器便會調整柵極電壓，使其維持最大值電流一定的時間。電流限制所容許的最長時間取決于故障檢測電流、故障閾值和外加電容器，并且通過計時器(TIMER)引腳來編程。一旦TIMER到達故障的閾值，控制器便會關閉柵極，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引腳上的電阻分壓器而檢測。這個組件可驗證輸入電壓是處于指定范圍，還是高出欠壓閾值或低于過壓閾值。假如輸入電壓在指定范圍以外，那柵極便會關閉。
電源正常引腳(PGD)是一個開放漏極輸出。當輸出(VOUT)還有幾伏便到達輸入(VIN)時，開放漏極下拉器件便會被關閉，而PGD會上拉到VOUT電軌。PGD輸出可以用來標簽下游電路以表示VOUT電壓“正常”。PWR引腳上的電阻會決定通過FET的最大功率極限。下文中我們還會詳細討論這個功能。
圖2所示為一個只可限制電流的熱插拔控制器，除了過壓和功率限制功能以外，它具備所有LM5069的功能。
圖2 只有電流限制的熱插拔控制器
MOSFET安全運行范圍（SOA）
在熱插拔或短路故障期間控制電流時，外置MOSFET必須保持在SOA范圍內以防止FET發生故障。圖3所示為Vishay的SUM40N15-38 場效應管的SOA曲線。從圖中可見，它的最大漏源極電壓VDS為110V，而在低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。在正常運作時(即VDS低)，電流會被限制到最大5A，而FET亦會在SOA范圍以內。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范圍以外。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的運作脫離SOA范圍(圖3中的紅線)。
圖3 SUM40N15-38的SOA曲線
圖4中的藍色曲線表示同時具有電流和功率限制功能的LM5069。其編程電流限制被設置成5A，而功率限制則被設置成50W，至于故障時間再一次被編程到40ms。現在，當50V的輸出發生短路時，組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，當一個熱插拔發生在50V輸出時，功率限制模式將會把FET維持在SOA范圍以內(圖3中的藍色虛線)。當VDS<10V時，組件將會進入電流限制模式，并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，否則它只通過電流限制功能來控制FET。
圖4 電流和功率限制控制和安全運作范圍
試驗數據
在實驗中，同時為LM5069和電流限制控制器準備應用電路板。兩個組件都同樣具備50V的輸入、5A的電流限制和40ms的故障時間。不過，LM5069則多了一個50W的功率限制功能。兩個應用電路板最后都通過一個負載電阻器將輸出設成短路，從而增加VDS。
圖5所示為電流限制控制器件的波形。輸出負載將VDS增加到30V。起初，電流被限制在5A，但經過10ms后，FET出現故障并且輸入電壓到輸出電壓發生短路。輸入電壓阻止并限制電流達到電源的電流極限。即使計時器到達40ms的時限，都不能關閉柵極，因為FET已遭損毀。查看SOA曲線，會發現FET在VDS=50V和IDS=5A時只能忍耐一個10ms脈沖的時間。一旦FET因電流限制控制器而超過10ms時，那FET便會發生故障(圖8中的紅色虛線)。
圖5 電流限制控制器的波形
正如圖6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閾值，那組件便會關閉FET。在這個短路的情況下，LM5069能夠有效的在SOA曲線的范圍內控制FET(圖8的藍色虛線)。
圖6 LM5069 的波形
圖7 LM5069 的純電流限制
為了展示LM5069的多功能性，圖7表示出一個純電流限制的情況。在這個情況下，輸出負載導致電流增加，但幅度不太大,故不足使VDS增加。LM5069以電流限制的模式運作，并把電流限制在5A。當過了40ms的編程故障時間后，FET便會被關閉。同樣，LM5069將FET控制在SOA范圍以內(圖8中的綠色虛線)。
圖8 Vishay SUM40N15-38 SOA
結論
具有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出現災難性故障。為了防止FET超出SOA范圍，用戶需要選用比較大型的FET和散熱器以獲得可靠的故障保護。LM5069將具有編程能力的功率和電流限制能力結合在一起，所以無須使用大型的外置FE也能把FET維持在SOA的安全范圍內。