Wenn Baugruppen und Leiterplatten zu Anpassungs- oder Wartungszwecken kurzzeitig entnommen werden, müssen kritische Server und Kommunikationseinheiten kontinuierlich weiterarbeiten. Hot-Swap-Controller-ICs gewährleisten das durch einen Softstart der Stromversorgung. Das verhindert einen Funkenüberschlag bei der Verbindung beziehungsweise Trennung, Spannungsspitzen in der Backplane und einen Kartenreset. Der Controller-IC treibt einen Leistungs-
MOSFET-Schalter an, der in Reihe mit der in der Baugruppe enthaltenen Stromversorgung geschaltet ist. Beim Einstecken der Baugruppe wird der MOSFET-Schalter so langsam eingeschaltet, dass der die Lastkondensatoren aufladende Einschaltstrom in einem sicheren Bereich bleibt.
Fällt die Hot-Swap Schaltung aus, ist die Ursache häufig der MOSFET-Schalter. Ein möglicher Grund für den Ausfall kann sein, dass dem sicheren Arbeitsbereich des Schalters (SOA = Safe Operating Area) nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Manchmal basiert ein neues Controllerdesign auf einem älteren Design mit geringerer Lastkapazität, in dem der MOSFET perfekt arbeitete. Die überwiegende Mehrheit der Leistungs-MOSFETs ist für einen geringen Drain-Source-On-Widerstand RDS(on) und schnelles Schalten optimiert. Die meisten Entwickler von Leistungssystemen wählen deshalb MOSFET-Schalter nach diesen Charakteristiken aus. In Schaltungen, bei denen MOSFETs eine signifikante Zeitspanne im verlustreichen Schaltzustand verbringen, wird der SOA leicht übersehen. Der SOA ist in den Auswahltabellen vieler Hersteller nicht einmal enthalten. Aber selbst bei Kenntnis des SOA ist die Derating-Menge oder die anzulegende Marge nicht immer plausibel, da der SOA häufig auf Berechnungen und nicht auf Testdaten basiert.
Sicherer Arbeitsbereich eines MOSFETs
Der SOA gibt an, welche Leistung ein MOSFETs für gepulste und DC-Lasten handhaben kann. Er wird im Datenblatt des MOSFETs durch einen Graph charakterisiert, dessen x-Achse die Drain-to-Source Spannung VDS und dessen y-Achse den Drain-Strom ID abbildet. Beide Achsen haben einen logarithmischen Maßstab. Die geraden Linien beschreiben eine konstante MOSFET-Leistung für unterschiedliche Pulsweiten tP. Jede Linie zeigt die erlaubte Verlustleistung für eine spezifische Pulsweite tP an. Die Pulsweite kann von Mikrosekunden bis unendlich (DC) reichen. Der Beispielgraph zeigt, dass der MOSFET für einen 10 ms Puls eine Spannung von 5 V zwischen Drain und Source haben kann und dabei 50 A durch ihn fließen. Daraus errechnet sich eine Verlustleistung von 250 W. Eine geringere Leistung bei gleicher Pulsbreite gewährleistet den sicheren Betrieb des MOSFETs. Die Extremwerte des Graphs werden vom On-Widerstand, der Durchbruchspannung der Drain-Source und dem maximalen gepulsten Drain-Strom bestimmt.
Die Schlüsselrolle des SOA
Die meisten Leistungs-MOSFETs werden in Schaltungen eingesetzt, in denen sie schnell ein- und ausschalten und lediglich Nanosekunden im verlustreichen Übergangszustand verbringen. Bei solchen Anwendungen ist der SOA kein primäres Anliegen. Bei Hot-Swap-Schaltungen, die eine Eingangsstromregelung, Strombegrenzung und Sicherungsfunktionen enthalten, ist der SOA hingegen außerordentlich wichtig.
Die linke obige Abbildung zeigt die typischen Einschaltsignale für den Austausch einer Baugruppe im laufenden Betrieb. Wird die Baugruppe in eine Backplane-Stromversorgung mit 12 V eingesteckt, schaltet der Hot-Swap-Controller das MOSFET-Gate erst ein, wenn das Kontaktprellen des Steckverbinders abgeklungen ist. Die Ausgangsspannung folgt und erreicht nach 40 ms die Spannung von 12 V. Während dieser Softstartperiode fließen 200 mA kapazitiver Ladestrom durch den MOSFET, wobei seine Drain-Source-Spannung von 12 V (= 12 VIN - 0 VOUT) auf fast 0 V (= 12 VIN - 12 VOUT) abfällt. Tritt ein Kurzschluss an der Last ein, begrenzt der Controller den Strom auf 6 A mit 12 V
(= 12 VIN - 0 VOUT) am MOSFET. Diese 72 W Verlustleistung hält 1,2 ms an, bis der Timer der Sicherungsfunktion abläuft. In solchen Situationen muss ein Hot-Swap-MOSFET beträchtliche Verlustleistungen für zehn und mehr Millisekunden handhaben können. Dafür spielt der SOA des MOSFETs eine wichtige Rolle.
Linear Technology bietet eine Familie von integrierten MOSFET-Hot-Swap-Controllern an, durch die sich die Entwicklung von Hot-Swap-Schaltungen vereinfachen lässt. Die jüngsten Modelle LTC4233 und LTC4234 sind Hot-Swap-Controller mit 10 beziehungsweise 30 A und integriertem MOSFET. Sie ermöglichen eine Strommessung für Spannungsversorgungen zwischen 2,9 und 15 V. Damit decken sie die Standardversorgungen 3,3 V, 5 V und 12 V ab. Mit dem Leistungs-MOSFET und dem Fühlwiderstand sind die beiden wichtigsten und größten Hot-Swap Komponenten integriert, was Fläche auf der Leiterplatten spart.
Hot-Swap Controller mit garantiertem SOA
Bei den LTC4233 und LTC4234 ist der interne SOA des MOSFETs im Datenblatt garantiert und der SOA von allen Bausteinen an einem einzigen Punkt auf dem SOA-Graph produktionsgetestet. Der SOA des LTC4234 wird durch Anlegen von 13,5 V zwischen Ein- und Ausgang und 30 ms langes Ziehen von 6 A aus dem Ausgang geprüft. Die daraus resultierende Verlustleistung beträgt 81 W. Der LTC4233 wird mit derselben Spannung geprüft, aber mit dem halben Strom und Leistungspegel, zum Beispiel 3 A und 40,5 W für die gleiche Dauer von 30 ms. Während in Datenblättern typische Werte angegeben sind, zeigen die SOA-Graphen der Controller LTC4233 und LTC4234 stets den minimalen garantierten SOA.
Controller für extrem dicht gepackte Leiterplatten
Sowohl der LTC4233 als auch der LTC4234 geben ein massebezogenes Signal aus, das proportional zum durch den internen Fühlwiderstand fließenden Laststrom ist. Dieser Ausgang kann mit einem externen A/D-Wandler gemessen werden, um dem Systemmanager Daten über den Baugruppenstrom und den Leistungsverbrauch zu liefern. Wählbare Schaltschwellen für Unter- und Überspannung schützen nachgelagerte Lasten vor Spannungen, die außerhalb eines gültigen Fensters liegen. Auf diese Weise lassen sich Fehlfunktionen oder eine Beschädigung der Schaltung verhindern. Selbst wenn kein Austausch im laufenden Betrieb notwendig ist, regeln die Controller den Einschaltstrom und führen die Strombegrenzung und die Sicherungsfunktionen aus. Typische Anwendungen für diese Controller sind extrem dicht gepackte Baugruppen und Leiterplatten in kritischen Servern, Netzwerkroutern und -schaltern.
