有源放電電路的原理和注意事項(xiàng)

當(dāng)今 FPGA 和高性能處理器的多個(gè)電源軌必須按照嚴(yán)格的順序上電和斷電。通常連接到電源軌的去耦電容必須主動(dòng)放電，以確保正確控制斷電順序并在可接受的時(shí)間內(nèi)完成斷電。本文介紹了有源放電電路的原理和設(shè)計(jì)，并解釋了功率 MOSFET 等關(guān)鍵元件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，以確保可重復(fù)的性能和可靠性。

介紹

當(dāng)今的許多片上系統(tǒng) FPGA、ASIC 和應(yīng)用處理器都需要多個(gè)單獨(dú)的電源軌來為低壓核心邏輯、3.3V 或 5V I/O 以及諸如內(nèi)存總線或 1.2V 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器等其他電路供電。眾所周知，以正確的順序?yàn)檫@些電源軌上電對(duì)于確保正確的系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。電源定序器用于依次啟用每個(gè)負(fù)載點(diǎn) （POL） 轉(zhuǎn)換器，在正確的時(shí)間啟動(dòng)各個(gè)電源軌。確保斷電過程遵循相反的順序同樣重要，但電源線上的去耦電容會(huì)阻止系統(tǒng)正確斷電。除非這些電容器被主動(dòng)放電，否則剩余的電荷會(huì)在 POL 被禁用后以不確定的速率衰減，因此可能會(huì)破壞序列。

有源電容放電

每個(gè)去耦電容器的放電時(shí)間可以使用串聯(lián)電阻來設(shè)置 RC 時(shí)間常數(shù)來控制。這使定序器能夠在序列中前一個(gè)轉(zhuǎn)換器停用后的已知時(shí)間延遲后關(guān)閉每個(gè) POL。應(yīng)選擇電阻值以在合適的時(shí)間內(nèi)將電容器放電至其完全充電電壓的 5%，避免過大的放電電流和噪聲，但也允許序列在發(fā)出關(guān)閉系統(tǒng)的信號(hào)后的可接受時(shí)間內(nèi)完成已經(jīng)收到。

圖 1 的示意圖說明了 Diodes 公司的主動(dòng)放電設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用 N 溝道功率 MOSFET DMN3027LFG （Q2） 作為開關(guān)，通過電阻 R2 將去耦電容放電到地，選擇電阻 R2 以實(shí)現(xiàn)合適的 RC 時(shí)間常數(shù)。 R2 的存在還可以防止急劇上升的電流峰值，這可能會(huì)導(dǎo)致 EMI 問題以及 N 溝道功率 MOSFET 和電容器組上的瞬態(tài)熱應(yīng)力。

圖 1. 有源電容器放電對(duì)于正確的斷電排序至關(guān)重要。

在圖 1 中，電源定序器的 EN 輸出連接到 DC-DC 穩(wěn)壓器的使能引腳，也連接到 P 溝道 MOSFET （Q1） 的柵極。當(dāng)定序器輸出變?yōu)榈碗娖揭越?DC DC 穩(wěn)壓器時(shí)，Q1 將信號(hào)反相，從而打開 Q2 以對(duì)電容器放電。放電電路假定 DC-DC 穩(wěn)壓器一旦施加關(guān)斷信號(hào)就不能繼續(xù)產(chǎn)生輸出。如果在激活關(guān)閉命令后 DC-DC 穩(wěn)壓器的輸出有可用電源，Q2 將嘗試吸收 DC-DC 穩(wěn)壓器的全部輸出電流能力。必須通過在激活放電電路之前插入延遲來防止這種情況。

關(guān)鍵組件選擇

盡管有源放電電路很容易實(shí)現(xiàn)，但需要注意選擇正確的電阻器以及 P 溝道和 N 溝道 MOSFET，以最大限度地減少對(duì)瞬態(tài)和過熱的影響，從而降低可靠性。

MOSFET Q1 的選擇應(yīng)參考電源排序器的輸出電壓閾值。所選器件應(yīng)具有足夠高的柵極閾值電壓 （VGS（th）），以確保在定序器輸出較高時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)，記住 VGS（th） 會(huì)隨著結(jié)溫的升高而下降。本示例選擇的序列發(fā)生器采用 5V 電源供電，并具有 4.19V 的最小指定高電平輸出電壓。在 60°C 的環(huán)境工作溫度下，Q1 的 VGS（th） 必須大于 0.9V，以確保正常工作。此外，應(yīng)使用 100kΩ 電阻將柵極下拉至源極電位，以避免誤開啟。檢查 MOSFET 數(shù)據(jù)表中 VGS（th） 與溫度的歸一化曲線表明 Diodes Incorporated 的ZXMP6A13F滿足要求：保證最小 VGS（th） 在室溫下為 1V，在 +60°C 時(shí)降至 0.9V 左右。

出于本示例的目的，我們假設(shè)定序器必須在 100 毫秒內(nèi)關(guān)閉總共 10 個(gè)電壓軌。因此，每個(gè)軌上的去耦電容器組必須在 10 毫秒內(nèi)放電。以 8ms 的 3x RC 時(shí)間常數(shù)為目標(biāo)，可確保電容器在所需時(shí)間內(nèi)放電至低于其全電壓的 5%。要計(jì)算 RC 常數(shù)，必須考慮電容器組的 MOSFET RDS（ON）、寄生走線電阻和 ESR，以及電阻器 R2。

假設(shè)電容 ESR 和走線電阻的總和不大于 10mΩ，去耦組的總電容為 15mF，RDS（ON） 和 R2 的合適值可通過下式計(jì)算：

3 x （10mΩ + R2 + （1.5 x RDS（ON））） x 15mF = 8ms

假設(shè) R2 = 50mΩ，功率 MOSFET Q2 在 VGS = 4.5V 和 25°C 環(huán)境溫度下的 RDS（ON） 必須小于 80mΩ。

在選擇 MOSFET 時(shí)，還應(yīng)考慮與溫度相關(guān)的變化和 RDS（ON） 的批次間變化的影響。在 4.5V 柵極驅(qū)動(dòng)的預(yù)期工作溫度范圍內(nèi)，RDS（ON） 可以變化多達(dá) 15mΩ。出于這個(gè)原因，最好確保 R2 大約是所選 MOSFET 的制造商指定的最大 RDS（ON） 的兩倍。如果 R2 為 50mΩ，則可以選擇 MOSFET，例如 Diodes Incorporated 的DMN3027LFG N 溝道 MOSFET。該器件在室溫下 VGS = 4.5V 時(shí)的典型和最大 RDS（ON） 分別為 22mΩ 和 26.5mΩ。因此，RDS（ON） 可以在大約 15mΩ 到 40mΩ 之間變化，在 3.9 到 5.4ms 之間提供 95% （3x RC） 的放電時(shí)間，最壞情況下的電容器組大小為 20mF。

評(píng)估安全作業(yè)區(qū)

因?yàn)镈MN3027LFG隨著時(shí)間的推移，電容器的能量會(huì)隨著電流和電壓的變化而消耗，因此有必要評(píng)估功率 MOSFET 可以安全處理的最大單脈沖，同時(shí)確保結(jié)溫不超過絕對(duì)最大額定值，典型 TJ（max） = +150°C。這可以通過檢查 MOSFET 數(shù)據(jù)表中的安全工作區(qū) （SOA） 看出（圖 2）。SOA 應(yīng)基于應(yīng)用的環(huán)境工作溫度以及所需的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)。在對(duì) 0.9V 充電電容器組放電的情況下，可接受的 SOA 曲線應(yīng)表明脈沖寬度在 1ms 和 10ms 之間的單脈沖峰值電流能力至少為 1V。SOA 應(yīng)適用于典型的應(yīng)用環(huán)境溫度，假設(shè)為 +60°C，同時(shí)安裝在 PCB 上，具有最小的散熱，

圖 2. DMN3027LFG N 溝道 MOSFET 的 SOA。

還需要考慮DMN3027LFG （Q2） MOSFET 和串聯(lián)電阻 R2 的功耗。最壞的情況是由電容器短時(shí)間充電和放電引起的。假設(shè)在最壞的情況下，電源定序器可以進(jìn)入一個(gè)連續(xù)環(huán)路，每 20 毫秒啟用和禁用 DC-DC 穩(wěn)壓器（10 毫秒啟用 + 10 毫秒禁用），DMN3027LFG和 R2將消耗大約 0.5 W。這是通過知道存儲(chǔ)在電容器組中的總能量將每 20 毫秒釋放一次來計(jì)算的：

P = E ÷ t = ?CV2 ÷ 20ms = 500mW（假設(shè) C = 20mF 充電至 1V）

由于DMN3027LFG的最大溫度調(diào)節(jié) RDS（ON）為 40mΩ，因此 Q2 和 R2 的功耗分別為 222mW 和 278mW。在 15mΩ 的最低 RDS（ON） 時(shí)，R2 的功耗將增加到 385mW。因此需要一個(gè) 0.5W 額定值的電阻器。

在典型應(yīng)用中，環(huán)境溫度預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到 60°C，DMN3027LFG在推薦的最小焊盤布局上的結(jié)到環(huán)境熱阻 （RθJA） 為 130°C/W，然后在耗散 222mW 時(shí) TJ 達(dá)到 90°C。這在 TJ（max） = 150°C 時(shí)提供了充足的動(dòng)態(tài)余量。

將計(jì)算付諸實(shí)踐

出于測(cè)試目的，組裝了一個(gè)由六個(gè) 2，200μF 電解電容器（標(biāo)稱總量為 13.2mF）和一個(gè)有源放電電路組成的電容器組，其中包括 Diodes 公司的ZXMP6A13F P 溝道 MOSFET （Q1） 和DMN3027LFG N 溝道 MOSFET （Q2）如圖1所示。ZXMP6A13F采用5V信號(hào)手動(dòng)觸發(fā)。

圖 3. 不使用（左）和使用（右）50mΩ 串聯(lián)放電電阻器時(shí)記錄的結(jié)果。

首先，電容器組僅通過DMN3027LFG放電，以說明添加 50mΩ 電阻器 R2 的效果。圖 3 顯示峰值電流達(dá)到約 30A，但由于 MOSFET RDS（ON） 增加，這將在較高溫度下降低。添加 R2 將峰值電流限制在 11A 左右，同時(shí)也降低了放電電流的溫度依賴性。通過電路中的電阻，放電到初始 1V 充電狀態(tài)的 95% 的時(shí)間為 3 到 4ms，接近理論值計(jì)算的數(shù)字。

結(jié)論

在使用從多個(gè)電源軌運(yùn)行的復(fù)雜 FPGA 和片上系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，以正確的順序關(guān)閉每個(gè) POL 與確保正確的上電順序同樣重要。這對(duì)于防止損壞芯片的某些部分是必要的。然而，在斷電時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)必不可少的去耦電容會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間變得不可預(yù)測(cè)。對(duì)這些電容器進(jìn)行主動(dòng)放電以確保在已知時(shí)間內(nèi)關(guān)閉每個(gè)電源軌，從而實(shí)現(xiàn)正確和安全的關(guān)閉。

花時(shí)間考慮最壞的情況和對(duì)功率 MOSFET 開關(guān)等組件的壓力可以通過確保長(zhǎng)期可靠性和最大限度地減少對(duì)溫度等環(huán)境影響的依賴來獲得回報(bào)。