主動式 FPGA 穩(wěn)定電源定序解決方案

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

電源定序的安全考慮

在啟動目前的大型系統(tǒng)單芯片 FPGA 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，在前一個供電達到所要求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 可程序化，在所要的時間點分別傳送 Enable 訊號。圖 1 顯示多信道序列發(fā)生器如何管理 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 20mF 的總?cè)ヱ詈想娙荨?/p>

圖 1. 透過定序 IC 管理 FPGA 電軌。

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，序列發(fā)生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組件下，使用一對細心挑選的 MOSFET 將電阻器插入電路中。

電源序列發(fā)生器的 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。序列發(fā)生器輸出降低停用 DC-DC 穩(wěn)壓器時，Q1 便會反轉(zhuǎn)訊號，開啟 N 信道 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 2. 控制電源定序的主動放電電路。

圖中的電路假設 DC-DC 穩(wěn)壓器在提供關(guān)機訊號后無法持續(xù)產(chǎn)生輸出。假如 DC-DC 穩(wěn)壓器的輸出能在收到關(guān)機指令后持續(xù)供應電源，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?shù)姆烹姇r間，讓序列發(fā)生器能在可接受的時間間隔內(nèi)完成關(guān)機。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)熱應力。實務上，選擇 R2 值時需考慮一些額外的重要參數(shù)，像是 Q2 的導通電阻 (RDS(ON)) 和電容器組的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。

選擇 MOSFET Q1 時應參考電源序列發(fā)生器的輸出電壓閾值。所選的裝置應有夠高的閘極閾值電壓 (VGS(th))，確保序列發(fā)生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。本范例中選擇的序列發(fā)生器操作供應電壓為 5V，最小指定高電位輸出電壓為 4.19V。Q1 的 VGS(th) 在 60°C 環(huán)境操作溫度下必須大于 0.9V，以確保運作正常。此外，閘極應使用 100k 電阻下拉至源極電位，以避免誤開。查看 MOSFET 數(shù)據(jù)表中 VGS(th) 與溫度的標準化曲線，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°C 則下降至 0.9V 左右。

在此范例中，我們假設序列發(fā)生器必須在 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。目標是達成 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 一同納入考慮。

假設電容器 ESR 和線路電阻加起來不超過 10m，去耦合電容器組的總電容值為 15mF，則 RDS(ON) 和 R2 的適當值可用下列表達式求得：

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

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

選擇 MOSFET 時，溫度相關(guān)變動的效應和 RDS(ON) 的批量變異也應考慮在內(nèi)。RDS(ON) 在 4.5V 閘極驅(qū)動下、超出預期作業(yè)溫度范圍時的變異可能高達 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 50m，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 22m 和 26.5m。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。

MOSFET 夠耐用嗎?

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°C。相關(guān)詳細資料可查看 MOSFET 數(shù)據(jù)表中的安全操作區(qū) (SOA)。SOA 應以所需的 MOSFET 閘極驅(qū)動器應用的環(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 應適用于一般的應用環(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，亦即假設的 60°C。

此外也需要考慮 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)對電容器進行充放電。假設最糟情況下，電源序列發(fā)生器可進入連續(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 = ½CV2 ÷ 20ms = 500mW (假設 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。

在一般應用中，環(huán)境溫度預期接近 60°C，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°C/W，功耗達 222mW 時 TJ 接近 90°C。這表示 TJ(max) = 150°C 還有很多預留空間。

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。

結(jié)論

依照正確順序關(guān)閉個別電源供應，跟確定開機順序是否正確一樣重要，都是為了避免復雜的多軌式 FPGA 損壞。讓去耦合電容器主動放電，有助于穩(wěn)定確保每個電軌能在已知的時間內(nèi)關(guān)閉。在選擇主動放電電路的組件，也就是主要的串聯(lián)電阻器和主要 MOSFET 開關(guān)時，應確保組件具備適當?shù)臅r間常數(shù)，且能耐受最糟的電源循環(huán)條件下所造成的應力。