確保多重FPGA電軌依正確順序關(guān)閉，可避免裝置因電壓而提早故障 - 全文

確保多重FPGA電軌依正確順序關(guān)閉，跟確保開機(jī)程序是否正確一樣重要，可避免裝置因電壓狀態(tài)無法判斷而提早故障。

電源定序避免損壞

在啟動目前的大型系統(tǒng)單晶片F(xiàn)PGA的多重電軌時，有許多技巧可用來控制其啟動順序和時序。遵照裝置制造商所指定的正確順序甚為重要，如此可避免裝置抽取過多電流而導(dǎo)致?lián)p壞。

有些方法是透過操縱各轉(zhuǎn)換器的電源良好輸出，來控制順序中下一個供應(yīng)的Enable腳位。如需要繼電器，可插入電容器。另一種類似的方式則是使用重置IC，在前一個供電達(dá)到所要的電壓后啟動下一個轉(zhuǎn)換器。每種方法都有一些缺點，且這些方法都無法控制電源關(guān)閉的順序。依正確的相反順序關(guān)閉電軌，跟開啟電源順序是否正確一樣重要，都是為了確保裝置能安全運作。

使用專用的電源定序IC，則更能穩(wěn)定確保其順序正確。IC可程式化，在所要的時間點分別傳送Enable訊號。圖1顯示多通道定序器如何管理FPGA核心邏輯、周邊和I/O電域。即使如此，電源關(guān)閉順序仍舊難以控制，因為每個電軌上的去耦合電容器在轉(zhuǎn)換器關(guān)閉后仍可能殘留電荷，且殘留時間不一定，而每個電軌最多可能連接多達(dá)20mF的總?cè)ヱ詈想娙荨?/p>

圖1 透過定序IC管理FPGA電軌。

定序器維持電源關(guān)閉控制

使用具有已知時間常數(shù)的電路，主動將去耦合電容器放電，定序器便能維持正確的電源關(guān)閉順序，其做法是在串聯(lián)的電容器中暫時插入放電電阻器。圖2顯示如何在加入最少必要元件下，使用一對細(xì)心挑選的MOSFET將電阻器插入電路中。

圖2 控制電源定序的主動放電電路。

電源定序器的EN輸出連接到DC-DC穩(wěn)壓器的Enable腳位，也連接到P通道MOSFET（Q1）的閘極。定序器輸出降低停用DC-DC穩(wěn)壓器時，Q1便會反轉(zhuǎn)訊號，開啟N通道MOSFET Q2。開啟時，Q2會透過R2電阻使15mF去耦合電容器放電到接地。

圖中的電路假設(shè)DC-DC穩(wěn)壓器在提供關(guān)機(jī)訊號后無法持續(xù)產(chǎn)生輸出。假如DC-DC穩(wěn)壓器的輸出能在收到關(guān)機(jī)指令后持續(xù)供應(yīng)電源，則需要額外的繼電器才能啟動放電電路。

選擇的R2值必須能確保適當(dāng)?shù)姆烹姇r間，讓定序器能在可接受的時間間隔內(nèi)完成關(guān)機(jī)。另外還要注意的是，電阻必須夠大，才能避免電流尖峰值上升率過快，避免引發(fā)EMI問題，以及對Q2和去耦合電容器組造成瞬態(tài)熱應(yīng)力。實務(wù)上，選擇R2值時需考慮一些額外的重要參數(shù)，像是Q2的導(dǎo)通電阻（RDS（ON））和電容器組的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

選擇MOSFET Q1時應(yīng)參考電源定序器的輸出電壓閾值。所選的裝置應(yīng)有夠高的閘極閾值電壓（VGS（th）），確保定序器輸出為高電位時能保持關(guān)閉，但要注意的是，VGS（th）會隨接面溫度上升而下降。本范例中選擇的定序器操作供應(yīng)電壓為5V，最小指定高電位輸出電壓為4.19V。Q1的VGS（th）在60℃環(huán)境操作溫度下必須大于0.9V，以確保運作正常。此外，閘極應(yīng)使用100kΩ電阻下拉至源極電位，以避免誤開。查看MOSFET資料表中VGS（th）與溫度的標(biāo)準(zhǔn)化曲線，顯示Diodes公司的ZXMP6A13F符合要求：保證最小VGS（th）在室溫下為1V，到60℃則下降至0.9V左右。

在此范例中，我們假設(shè)定序器必須在100ms內(nèi)關(guān)閉總共10V的電軌。因此，每個電軌的去耦合電容器組必須在10ms內(nèi)完成放電。目標(biāo)是達(dá)成RC時間常數(shù)8ms的3倍，確保電容器在要求時間內(nèi)放電到全電壓的5%以下。計算RC常數(shù)時，電容器組的MOSFET RDS（ON）、寄生線路電阻和ESR都必須與電阻器R2一同納入考量。

假設(shè)電容器ESR和線路電阻加起來不超過10mΩ，去耦合電容器組的總電容值為15mF，則RDS（ON）和R2的適當(dāng)值可用下列運算式求得：

3x（10mΩ+R2+（1.5×RDS（ON）））×15mF=8ms

假設(shè)R2=50mΩ，功率MOSFET Q2的RDS（ON）在VGS=4.5V且環(huán)境溫度為25℃下必須小于80mΩ。

選擇MOSFET時，溫度相關(guān)變動的效應(yīng)和RDS（ON）的批量變異也應(yīng)考量在內(nèi)。RDS（ON）在4.5V閘極驅(qū)動下、超出預(yù)期作業(yè)溫度范圍時的變異可能高達(dá)15mΩ。因此最好的做法是，確定R2為所選MOSFET之制造商指定最大RDS（ON）的兩倍左右。如果R2為50mΩ，則可選用Diodes公司的DMN3027LFG N通道MOSFET。此裝置在VGS=4.5V、室溫下的RDS（ON）典型值和最大值分別為22mΩ和26.5mΩ。因此，RDS（ON）變化可從15mΩ到40mΩ，放電時間從95%（3倍RC）的3.9ms起跳，使用最差20mF大小的電容器組時放電時間則可能拉長到5.4ms。

評估最大單一脈沖保護(hù)MOSFET安全

DMN3027LFG會隨時間以電流和電壓為函數(shù)消耗電容器內(nèi)的能源，因此有需要評估最大單一脈沖，讓功率MOSFET能夠安全應(yīng)付，同時確保接面溫度不會超過絕對最高額定典型值TJ（max）=150 ℃。相關(guān)詳細(xì)資料可查看MOSFET資料表中的安全操作區(qū)（SOA）。SOA應(yīng)以所需的MOSFET閘極驅(qū)動器應(yīng)用的環(huán)境操作溫度為基礎(chǔ)。在使帶0.9V電荷的電容器組放電時，可接受的SOA曲線應(yīng)指出單一脈沖尖峰電流量為至少1V，脈沖寬度介于1ms至10ms。SOA應(yīng)適用于一般的應(yīng)用環(huán)境溫度，安裝在使用最少散熱器（亦稱最小建議墊片MRP配置）下的電路板上時，亦即假設(shè)的60℃。

此外也需要考量DMN3027LFG（Q2） MOSFET和R2串聯(lián)電阻的功耗。最糟的使用情況，就是在很短的時間內(nèi)對電容器進(jìn)行充放電。假設(shè)最糟情況下，電源定序器可進(jìn)入連續(xù)回路，每隔20ms啟動一次DC-DC穩(wěn)壓器并接著停用（10ms啟用+10ms停用），DMN3027LFG和R2將會有大約0.5W的功耗。這是從電容器組儲存的已知總能源會每隔20ms放電計算得到：

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

DMN3027LFG的最大溫度調(diào)整RDS（ON）為40mΩ，因此Q2和R2的功耗分別為222mW和278mW。若RDS（ON）為較低的15mΩ，R2的功耗將增加到385mW，因此需使用0.5W額定值的電阻。

在一般應(yīng)用中，環(huán)境溫度預(yù)期接近60℃，而DMN3027LFG在最小建議墊片配置下的接面至環(huán)境熱電阻（RθJA）為130℃/W，功耗達(dá)222mW時TJ接近90℃。這表示TJ（max）=150℃還有很多預(yù)留空間。

圖3顯示電路實際運作方式。尖峰電流限制在大約12.5A，電容器組從初始1V充電狀態(tài)下放電至5%的時間約為4ms，此數(shù)值接近理論值的計算結(jié)果。

圖3 在控制時間和限制放電電流下關(guān)閉單一電軌。

依照正確順序關(guān)閉個別電源供應(yīng)跟確定開機(jī)順序是否正確都是為了避免復(fù)雜的多軌式FPGA損壞。讓去耦合電容器主動放電，有助穩(wěn)定確保每個電軌能在已知的時間內(nèi)關(guān)閉。主要MOSFET開關(guān)時，應(yīng)確保元件具備適當(dāng)?shù)臅r間常數(shù)，且能耐受最糟的電源循環(huán)條件下所造成的應(yīng)力。