有源放电电路的原理和注意事项

    当今 FPGA 和高性能处理器的多个电源轨必须按照严格的顺序上电和断电。通常连接到电源轨的去耦电容必须主动放电，以确保正确控制断电顺序并在可接受的时间内完成断电。本文介绍了有源放电电路的原理和设计，并解释了功率 MOSFET 等关键元件的选择标准，以确保可重复的性能和可靠性。

    介绍

    当今的许多片上系统 FPGA、ASIC 和应用处理器都需要多个单独的电源轨来为低压核心逻辑、3.3V 或 5V I/O 以及诸如内存总线或 1.2V 以太网驱动器等其他电路供电。众所周知，以正确的顺序为这些电源轨上电对于确保正确的系统运行至关重要。电源定序器用于依次启用每个负载点 （POL） 转换器，在正确的时间启动各个电源轨。确保断电过程遵循相反的顺序同样重要，但电源线上的去耦电容会阻止系统正确断电。除非这些电容器被主动放电，否则剩余的电荷会在 POL 被禁用后以不确定的速率衰减，因此可能会破坏序列。

    有源电容放电

    每个去耦电容器的放电时间可以使用串联电阻来设置 RC 时间常数来控制。这使定序器能够在序列中前一个转换器停用后的已知时间延迟后关闭每个 POL。应选择电阻值以在合适的时间内将电容器放电至其完全充电电压的 5%，避免过大的放电电流和噪声，但也允许序列在发出关闭系统的信号后的可接受时间内完成已经收到。

    图 1 的示意图说明了 Diodes 公司的主动放电设计，该设计使用 N 沟道功率 MOSFET DMN3027LFG （Q2） 作为开关，通过电阻 R2 将去耦电容放电到地，选择电阻 R2 以实现合适的 RC 时间常数。 R2 的存在还可以防止急剧上升的电流峰值，这可能会导致 EMI 问题以及 N 沟道功率 MOSFET 和电容器组上的瞬态热应力。

    图 1. 有源电容器放电对于正确的断电排序至关重要。

    在图 1 中，电源定序器的 EN 输出连接到 DC-DC 稳压器的使能引脚，也连接到 P 沟道 MOSFET （Q1） 的栅极。当定序器输出变为低电平以禁用 DC DC 稳压器时，Q1 将信号反相，从而打开 Q2 以对电容器放电。放电电路假定 DC-DC 稳压器一旦施加关断信号就不能继续产生输出。如果在激活关闭命令后 DC-DC 稳压器的输出有可用电源，Q2 将尝试吸收 DC-DC 稳压器的全部输出电流能力。必须通过在激活放电电路之前插入延迟来防止这种情况。

    关键组件选择

    尽管有源放电电路很容易实现，但需要注意选择正确的电阻器以及 P 沟道和 N 沟道 MOSFET，以最大限度地减少对瞬态和过热的影响，从而降低可靠性。

    MOSFET Q1 的选择应参考电源排序器的输出电压阈值。所选器件应具有足够高的栅极阈值电压 （VGS（th）），以确保在定序器输出较高时保持关闭状态，记住 VGS（th） 会随着结温的升高而下降。本示例选择的序列发生器采用 5V 电源供电，并具有 4.19V 的最小指定高电平输出电压。在 60°C 的环境工作温度下，Q1 的 VGS（th） 必须大于 0.9V，以确保正常工作。此外，应使用 100kΩ 电阻将栅极下拉至源极电位，以避免误开启。检查 MOSFET 数据表中 VGS（th） 与温度的归一化曲线表明 Diodes Incorporated 的ZXMP6A13F满足要求：保证最小 VGS（th） 在室温下为 1V，在 +60°C 时降至 0.9V 左右。

    出于本示例的目的，我们假设定序器必须在 100 毫秒内关闭总共 10 个电压轨。因此，每个轨上的去耦电容器组必须在 10 毫秒内放电。以 8ms 的 3x RC 时间常数为目标，可确保电容器在所需时间内放电至低于其全电压的 5%。要计算 RC 常数，必须考虑电容器组的 MOSFET RDS（ON）、寄生走线电阻和 ESR，以及电阻器 R2。

    假设电容 ESR 和走线电阻的总和不大于 10mΩ，去耦组的总电容为 15mF，RDS（ON） 和 R2 的合适值可通过下式计算：

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

    假设 R2 = 50mΩ，功率 MOSFET Q2 在 VGS = 4.5V 和 25°C 环境温度下的 RDS（ON） 必须小于 80mΩ。

    在选择 MOSFET 时，还应考虑与温度相关的变化和 RDS（ON） 的批次间变化的影响。在 4.5V 栅极驱动的预期工作温度范围内，RDS（ON） 可以变化多达 15mΩ。出于这个原因，最好确保 R2 大约是所选 MOSFET 的制造商指定的最大 RDS（ON） 的两倍。如果 R2 为 50mΩ，则可以选择 MOSFET，例如 Diodes Incorporated 的DMN3027LFG N 沟道 MOSFET。该器件在室温下 VGS = 4.5V 时的典型和最大 RDS（ON） 分别为 22mΩ 和 26.5mΩ。因此，RDS（ON） 可以在大约 15mΩ 到 40mΩ 之间变化，在 3.9 到 5.4ms 之间提供 95% （3x RC） 的放电时间，最坏情况下的电容器组大小为 20mF。

    评估安全作业区

    因为DMN3027LFG随着时间的推移，电容器的能量会随着电流和电压的变化而消耗，因此有必要评估功率 MOSFET 可以安全处理的最大单脉冲，同时确保结温不超过绝对最大额定值，典型 TJ（max） = +150°C。这可以通过检查 MOSFET 数据表中的安全工作区 （SOA） 看出（图 2）。SOA 应基于应用的环境工作温度以及所需的 MOSFET 栅极驱动。在对 0.9V 充电电容器组放电的情况下，可接受的 SOA 曲线应表明脉冲宽度在 1ms 和 10ms 之间的单脉冲峰值电流能力至少为 1V。SOA 应适用于典型的应用环境温度，假设为 +60°C，同时安装在 PCB 上，具有最小的散热，

    图 2. DMN3027LFG N 沟道 MOSFET 的 SOA。

    还需要考虑DMN3027LFG （Q2） MOSFET 和串联电阻 R2 的功耗。最坏的情况是由电容器短时间充电和放电引起的。假设在最坏的情况下，电源定序器可以进入一个连续环路，每 20 毫秒启用和禁用 DC-DC 稳压器（10 毫秒启用 + 10 毫秒禁用），DMN3027LFG和 R2将消耗大约 0.5 W。这是通过知道存储在电容器组中的总能量将每 20 毫秒释放一次来计算的：

    P = E ÷ t = ½CV2 ÷ 20ms = 500mW（假设 C = 20mF 充电至 1V）

    由于DMN3027LFG的最大温度调节 RDS（ON）为 40mΩ，因此 Q2 和 R2 的功耗分别为 222mW 和 278mW。在 15mΩ 的最低 RDS（ON） 时，R2 的功耗将增加到 385mW。因此需要一个 0.5W 额定值的电阻器。

    在典型应用中，环境温度预计会达到 60°C，DMN3027LFG在推荐的最小焊盘布局上的结到环境热阻 （RθJA） 为 130°C/W，然后在耗散 222mW 时 TJ 达到 90°C。这在 TJ（max） = 150°C 时提供了充足的动态余量。

    将计算付诸实践

    出于测试目的，组装了一个由六个 2，200µF 电解电容器（标称总量为 13.2mF）和一个有源放电电路组成的电容器组，其中包括 Diodes 公司的ZXMP6A13F P 沟道 MOSFET （Q1） 和DMN3027LFG N 沟道 MOSFET （Q2）如图1所示。ZXMP6A13F采用5V信号手动触发。

    图 3. 不使用（左）和使用（右）50mΩ 串联放电电阻器时记录的结果。

    首先，电容器组仅通过DMN3027LFG放电，以说明添加 50mΩ 电阻器 R2 的效果。图 3 显示峰值电流达到约 30A，但由于 MOSFET RDS（ON） 增加，这将在较高温度下降低。添加 R2 将峰值电流限制在 11A 左右，同时也降低了放电电流的温度依赖性。通过电路中的电阻，放电到初始 1V 充电状态的 95% 的时间为 3 到 4ms，接近理论值计算的数字。

    结论

    在使用从多个电源轨运行的复杂 FPGA 和片上系统设备时，以正确的顺序关闭每个 POL 与确保正确的上电顺序同样重要。这对于防止损坏芯片的某些部分是必要的。然而，在断电时，系统正常运行时必不可少的去耦电容会导致关断时间变得不可预测。对这些电容器进行主动放电以确保在已知时间内关闭每个电源轨，从而实现正确和安全的关闭。

    花时间考虑最坏的情况和对功率 MOSFET 开关等组件的压力可以通过确保长期可靠性和最大限度地减少对温度等环境影响的依赖来获得回报。