Schutz-FETs: Leistungsbegrenzung schützt bei Kurzschluss

Rein auf Strombegrenzung beschränkte Hot-Swap-Controller benötigen großzügig dimensionierte und gekühlte FETs. Denn im Falle eines Kurzschlusses müssen die FETs die maximale Leistung des Netzteils in Wärme umwandeln können...

Rein auf Strombegrenzung beschränkte Hot-Swap-Controller benötigen großzügig dimensionierte und gekühlte FETs. Denn im Falle eines Kurzschlusses müssen die FETs die maximale Leistung des Netzteils in Wärme umwandeln können und dabei im sicheren Arbeitsbereich betrieben werden. Eine zusätzliche Leistungsbegrenzung schützt die FETs bei einem Kurzschluss, so dass kleinere Transistoren und Kühlköper eingesetzt werden können.

Unter Hot-Swapping versteht man das Einstecken und Abziehen von Karten im laufenden Betrieb. Verbreitet ist dieses Verfahren insbesondere bei Rack-Systemen wie z.B. Telekommunikations-Servern und CompactPCI-Applikationen, aber auch bei seriellen Bussen wie z.B. USB und Firewire. Wenn die Versorgungsspannung zum Modultausch nicht abgeschaltet werden muss, können fehlerhafte Module ausgetauscht werden, während die übrigen Karten des Systems in Betrieb bleiben. Riskant am Hot-Swapping ist, dass die auf den Modulen vorhandenen Kapazitäten für einen niederohmigen Stromweg sorgen und dadurch hohe Einschaltströme verursachen, die zu Schäden an den Kondensatoren, Leiterbahnen und Steckverbindern führen können. Außerdem ist nicht auszuschließen, dass die Versorgungsspannung infolge der Einschaltströme so weit abfällt, dass auf anderen, parallel versorgten Karten ein Reset ausgelöst wird.

Spezielle Hot-Swap-Controller sind so ausgelegt, dass sie den Einschaltstrom mit Hilfe eines externen FET begrenzen (s. Bild 1). Sie lassen außerdem die Stromstärke im Störungsfall nicht unkontrolliert ansteigen, wenn beispielsweise an den Ausgängen ein Masseschluss auftritt oder es zu hohen Lastspitzen kommt. Man könnte annehmen, dass es ausreicht, für diese Funktion einen FET zu wählen, der den maximalen Laststrom und die größte zu erwartende Eingangsspannung verkraftet. Wenn jedoch der Hot-Swap-Controller nur die Stromstärke überwacht und steuert, kann er nicht garantieren, dass der FET stets in seinem sicheren Arbeitsbereich (SOA, Safe Operating Area) betrieben wird. Erst eine Kombination aus Leistungsund Strombegrenzung stellt sicher, dass der FET im regulären Betrieb und im Kurzschlussfall stets in seinem sicheren Arbeitsbereich bleibt.

Bild 1 zeigt den Hot-Swap-Controller LM5069 von National Semiconductor. Der jeweils fließende Einschaltstrom wird über den Widerstand RIm gemessen, und der Controller stellt sicher, dass eine gewisse Maximalspannung an RIm nicht überschritten wird. Sollte die Grenzspannung dennoch überschritten werden, moduliert der Controller die Gate-Spannung so, dass ein bestimmter Stromhöchstwert eingehalten wird. Der Maximalstrom fließt nur für eine bestimmte Zeitspanne, die über den Timer-Pin – mit Hilfe des Grenzstroms und der Fehler-Ansprechschwelle – und einen externen Kondensators festgelegt wird.

Bild 4 zeigt das Oszillogramm für den reinen Strombegrenzer. Die Last am Ausgang lässt UDS auf 30 V ansteigen. Anfangs wird die Stromstärke auf 5 A begrenzt, und nach 10 ms fällt der FET aus, sodass die Eingangsspannung nun direkt an den Ausgang gelangt. Daraufhin reduziert die Strombegrenzung des Netzteils die Versorgungsspannung, und der Eingangsspannungsverlauf zeigt eine Delle. Nach Ablauf des Timers (40 ms) kann die Schutzschaltung den FET nicht mehr abschalten, da er bereits zerstört ist. Dem SOA-Diagramm ist zu entnehmen, dass der FET bei UDS = 50 V nur für die Dauer von 10 ms einen Drain-Strom von 5 A verkraftet. Sobald der nur auf Strombegrenzung beschränkte Controller diese Zeitspanne überschreitet, wird der FET überlastet und zerstört (roter Punkt in Bild 5). In Bild 6 steigt UDS infolge der Last am Ausgang auf 45 V an, wobei der LM5069 die Leistung am FET auf 50 W begrenzt. Sobald der Timer die Reaktionszeit erreicht, schaltet der Baustein den FET ab. Der LM5069 ist also auch im Kurzschlussfall in der Lage, den FET in seinem sicheren Arbeitsbereich zu halten (blauer Punkt in Bild 5). hs