MOSFET安全工作区对实现稳固热插拔应用的意义所在-原理图|技术方案
即使是在插入和拔出电路板和卡进行维修或者调整容量时，任务关键的伺服器和通信设备也必须能够不间断工作。热插拔控制器 IC 通过软启动电源，支持从正在工作的系统中插入或移除电路板，从而避免了出现连接火花、背板供电干扰和电路板卡复位等问题。控制器 IC 驱动与插入电路板之电源相串联的功率 MOSFET 开关 (图 1)。电路板插入后，MOSFET 开关缓慢接通，这样，流入的浪涌电流对负载电容充电时能够保持在安全水平。
图1：可插入电路板的热插拔控制器
CONNECTORS：连接器
BACKPLANE：背板
HOT SWAP CONTROLLER：热插拔控制器
当热插拔电路出现故障时，薄弱环节一般在 MOSFET 开关上，因而可能会损害或破坏热插拔控制器。MOSFET 出现故障常见的原因是在选件时没有重视其安全工作区 (SOA)。相反，选择 MOSFET 时主要考虑了电阻 (RDS(on)) 上漏-源极以及最大漏极电流 (ID(max))。或者，新设计基于负载电容较小的老款设计，同样的 MOSFET 能够很好的工作。大部分功率 MOSFET 针对低 RDS(on) 和快速开关进行了优化，很多电源系统设计师习惯面向这些特性来选择 MOSFET，而 MOSFET 在显着时间于高损耗开关状态下过渡，却在电路忽略了 SOA。在 MOSFET 制造商参数选择表中没有 SOA，它并不能帮助。即使是注意到 SOA，由于 SOA 数据通常是基于计算而不是测试数据，因此，应用的降额或余量并不明显。
MOSFET 安全工作区
SOA 是对 MOSFET 在脉冲和 DC 负载时功率处理能力的衡量。在 MOSFET 产品手册的图表中进行了阐述，如图 2 的实例所示。其 x 轴是 MOSFET 漏-源极电压 (VDS)，而 y 轴是漏极电流 (ID)；两个轴都使用了对数坐标。在这张图中，直线 (每一条代表不同的 tP) 表示恒定 MOSFET 功率。每条线代表了 MOSFET 在某一脉冲宽度 tP 时允许的功耗，tP 的范围在微秒至无穷大 (DC)。例如，图中显示了对于 10ms 脉冲，MOSFET 漏-源极上有 5V 电压，流过的电流为 50A，计算得到功耗是 250W。同样脉冲宽度下较低的功耗保证了安全 MOSFET 工作，图中标注为 10ms 线下面的区域，这就是 “安全工作区”。图的两端是由接通电阻、漏-源极击穿电压、和最大脉冲漏极电流决定。
图 2：PSMN3R4-30BLE N 沟道 MOSFET 的安全工作区
为什么 SOA 对于热插拔应用非常重要?
电路中采用的大部分功率 MOSFET 都能够快速接通和关断，以纳秒的时间处于高损耗转换状态。在这类应用中，SOA 并不是主要问题。相反，SOA 对于热插拔电路是非常重要，提供了输入浪涌电流控制 (软启动)、限流和电路断路器功能。要理解这一点，请看热插入电路板的启动波形 (图 3a)。当电路板插入到 12V 背板电源时，热插拔控制器等待连接器接触反弹完成，随后软启动 MOSFET 栅极。然后，输出电压跟随并在 40ms 内达到 12V。在这一软启动期间，会有 200mA 的电容充电电流流过 MOSFET，而其漏-源极电压从 12V (= 12VIN ? 0VOUT) 几乎降至 0V (= 12VIN ? 12VOUT)。在负载上出现短路时 (图 3b)，控制器将 MOSFET 上的电流限制在 6A，电压为12V (= 12VIN ? 0VOUT)。这一 72W 功耗状态持续 1.2ms，直至电路断路器定时器计时结束。在启动浪涌和限流等状态中，需要热插拔 MOSFET 处理持续数百微秒至数十毫秒的显著功耗，应注意其 SOA 性能。
图 3a. 电路板热插入到 12V 背板电源时的软启动
CONTACT BOUNCE：接触反弹
图 3b. 输出短路期间的限流
CONTACT BOUNCE：接触反弹
SINGLE PULSE：单脉冲
GUARANTEED：有保证的
集成 MOSFET 热插拔控制器以及有保证的 SOA
凌力尔特公司提供了集成 MOSFET 的热插拔控制器系列，设计师不需要花费时间来搜寻 MOSFET 数据资料以达到最佳适配，从而简化了热插拔设计师的工作。这一系列中的最新型号 LTC4233 和 LTC4234 (图 4) 是集成了 MOSFET 和电流检测功能的 10A 和 20A 热插拔控制器，供电范围在 2.9V 至 15V，覆盖了标准 3.3V、5V 和 12V 电源。通过集成两个最关键和最大的热插拔组件 (功率 MOSFET 和检测电阻)，这些控制器有助缩短设计时间和减小电路板面积，为最终产品增加了更有价值的特性。
图 4：LTC4234：20A 有保证的 SOA 热插拔控制器
Guaranteed SOA：有保证的SOA
HOT SWAP：热插拔
Power Good：电源良好
Current Monitor：电流监视器
Current Limit Timer：限流定时器
Current Limit Adjustment and Temperature Monitor：限流调整和温度监视器
LTC4233 和 LTC4234 控制器特有的特性是产品手册中保证了其内部 MOSFET SOA，而这在独立 MOSFET 中是找不到的。每器件的 SOA 在 SOA 图中的单点上经过了产品生产测试。图 5 显示了 LTC4234 的 SOA 图。从输入至输出上应用 13.5V 电压，输出源出 6A 并持续 30ms，以对其 SOA 进行了测试。得出的功耗是 81W。这在 SOA 图中以红点表示。采用了同样的电压对 LTC4233 进行了测试，只是电流和功率减半 (即 3A 和 40.5W 并持续 30ms)。注意，LTC4233 和 LTC4234 SOA 图显示了有保证的最小 SOA，而 MOSFET 数据表显示了典型值。
图 5：LTC4234 热插拔控制器有保证的安全工作区图
SINGLE PULSE：单脉冲
GUARANTEED：有保证的
LTC4233 和 LTC4234 还输出地参考信号，该信号与通过内部检测电阻器上的负载电流成正比。可以采用外部模数转换器 (图 4) 来测量这一输出，向系统管理人员提供电路板电流和功耗数据。通过一个外部电阻器从其默认值减小限流值，这样，可以迅速调整以适应动态负载变化和各种应用。可选欠压和过压门限保护了下游负载不受超出有效窗口电压的影响，从而防止了出现电路故障和损害。即使在不需要热插入的地方，控制器也可以用于实现浪涌电流控制、限流和电路断路器功能。这些控制器的典型应用包括在任务关键的服务器、网络路由器和交换机、企业固态硬盘存储和工业系统中空间受限的高密度电路板和卡等。
结论
除了热插拔控制器本身，热插拔电路还保护了电路板电源和 MOSFET 故障不会损坏 MOSFET 下游昂贵的处理电子器件。现场故障、暴露 MOSFET 弱点等可能会导致高昂的回收，从而对声誉造成损害。因此，应确保选择 MOSFET 能够可靠处理热插拔应用中遇到的压力，这一点非常重要。LTC4233 和 LTC4234 集成了 MOSFET 热插拔控制器，减小了解决方案占板面积，缩短了设计时间，对每一个控制器 SOA 进行了新产品测试，确保了实现坚固可靠的解决方案。
如今，锂离子电池已成为3C产品（computer、conmmunication以及Consumer Electronics）最常用能源器件，高容量、稳定的充放电性能足够长的使用寿命一直都是工程师们对锂离子电池的追求，也是消费者对锂离子电池的期待。而隔膜材料正是这些追求和期望的关键所在。
一、隔膜重要性
锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解质、隔膜、封装材料等五部分组成。
隔膜在正负极之间起电子绝缘、提供理离子迁移微孔通道的作用，是保证电池体系安全、影响电池性能的关键材料。尽管隔膜不直接参与电极反应，但它影响电池动力学过程，决定着电池的充放电、循环寿命、倍率等性能。
近些年，科研人员和相关企业对隔膜材料的研发及产业技术的突破有着浓厚的兴趣。根据中国科学院专利在线分析系统，以中文"锂离子电池、隔膜"为关键词，检索到专利申请共2106项（截止2015年9月），其中授权专利占51.19%，有效专利共1078项。以中文“聚乙烯、隔膜”、“聚丙烯、隔膜”、“陶瓷、隔膜”、“改性、隔膜”为关键词，检索到专利申请分别有419、415、390、272项，授权率分别为44.4%、42.4%、32.0%、33.1%，有效专利分别为186、176、125、90项。经统计分析发现。
近年来在理电隔膜研发和技术领域的热点词汇是：：高安全性、新材料、陶瓷、涂覆和提高润湿性等。同时，最近十年，特别是最近五年，涉及埋电隔膜的专利申请呈加速上升趋势。
二、锂电隔膜的功能
隔膜在理离子电池中的功能主要体现在两个方面：
一是给电池提供安全保障。隔膜材料首先必须具备良好的绝缘性，以防止正负极接触短路或是被毛刺、颗粒、枝晶刺穿而出现的短路，因此，隔膜需要具有一定的拉伸、穿刺强度，不易撕裂，并在突发的高温条件下基本保持尺寸的稳定，不会熔缩导致电池的大面积短路和热失控。
二是给理离子电池提供实现充放电功能、倍率性能的微孔通道。因此，隔膜必须是具有较高孔隙率而且微孔分布均匀的薄膜。材料本身的特性和成膜后的孔隙特征制约着电池中锂离子的迁移，体现在性能参数上就是离子电导率。
三、锂电隔膜的影响要素
给电池提供安全保障是从隔膜制造材料的基本属性体现的。安全性要求决定着隔膜必须具有出众的绝缘性、机械强度、化学稳定性、电化学稳定性和热稳定性。因此，制造隔膜的材料只能从绝缘性好、具有良好的成膜性能、力学性能和易于加工的聚合物及其复合材料中选择。
目前已商品化的主流材料是聚丙烯微孔膜和聚乙烯微孔膜，发展中的材料如无纺布陶瓷颗粒复合膜，研发中的材料如聚酰亚胺（PI）等。
电池的锂离子导通功能是通过隔膜的构造和微孔结构特性实现的。对这一性能产生影响的还有一些材料本身的固有属性。对锂离子导通的要求决定了隔膜需要对电解液有良好的润湿性，因为只有吸收并保留适量的电解液在隔膜孔隙结构中，才能实现理离子迁移和正常工作，避免电极极化的发生。隔膜的微结构，如孔径及其分布、孔隙率、空气透过（Gurley值）、尺寸稳定性等因素都与离子电导率相关，显著影响电池的性能。
随着业界对电池安全性重视程度的不断提升电池企业对隔膜安全性的要求与期望也持续提高，在某些特殊型号电池的应用中对隔膜材料受热收缩比例的要求已经提高到180℃受热60min后收缩小于2%，而国外一些电池企业甚至寻求可以在250~300"C温区尺寸保持稳定的隔膜。
隔膜的厚度在保证安全的前提下当然是越薄越好。对于卷绕电池，隔膜厚度越薄，电池内阻越小，可以留出更多的空间给电极材料，并且能减少极片卷绕过程中的错位。但若只是一味强调厚度变薄，力学性能将受到影响，更容易被大颗粒、极片毛刺和枝晶刺穿，导致电池安全系数降低。而叠片电池的毛刺少，对厚度要求则不高。
随着锂离子电池材料体系、用途、容量、形状的日趋多样化，对隔膜性能及技术指标的要求也逐细化，生产企业对隔膜的理解也更加深入。可是，目前还没有哪一种隔膜在所有技术参数方面都出色。
因此，在给电池选择隔膜时应当有所侧重，衡量要突出哪种性能，是安全性、功率性能还是循寿命？根据电池设计和应用领域不同，隔膜应用的种类也应有所不同。关于隔膜各项技术参数具体的分析己有相关报道。
锂电隔膜性能要求及几种商品膜性能参数
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