FPGA系統(tǒng)中有源電容放電電路設(shè)計(jì)需注意哪些問(wèn)題

電信設(shè)備，服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心的最新FPGA具有多個(gè)電源軌，需要正確排序才能安全地為這些系統(tǒng)上下供電。高可靠性DC-DC穩(wěn)壓器和FPGA電源管理的設(shè)計(jì)人員需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)安全地放電大容量電容器，以避免損壞系統(tǒng)。

FPGA電源排序

最新在生成片上系統(tǒng)FPGA的過(guò)程中，它們可以提供十個(gè)獨(dú)立的電源軌，為Vcore，存儲(chǔ)器總線電源，I/O控制器，以太網(wǎng)等提供電源。如圖1所示，每個(gè)電源軌由DC供電。直流轉(zhuǎn)換器可調(diào)節(jié)3.3 V，2.5 V，1.8 V，0.9 V等所需的電壓。為了給系統(tǒng)加電，遵循特定的順序以確保安全操作并避免損壞系統(tǒng)。同樣在系統(tǒng)關(guān)閉期間，電源序列的順序相反，確保在下一個(gè)電源軌關(guān)閉之前禁用每個(gè)電源軌。該指令通過(guò)電源序列發(fā)生器芯片控制，該芯片可啟用每個(gè)DC-DC穩(wěn)壓器，如圖1所示。

圖1：典型FPGA系統(tǒng)電源軌每個(gè)服務(wù)的供電。

考慮存儲(chǔ)在各種電源軌上的去耦電容中的電荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。例如，在0.9 V Vcore電源軌上，總?cè)ヱ铍娙菘梢栽?0到20 mF的數(shù)量級(jí)，并且存儲(chǔ)在電容器組中的剩余電荷需要在斷電期間主動(dòng)放電，在下一次電源關(guān)閉之前序列被禁用。這樣可以避免違反掉電序列并保護(hù)FPGA系統(tǒng)。因此，建議在每個(gè)DC-DC穩(wěn)壓器輸出端使用有源放電電路。

有源電容放電開(kāi)關(guān)

通過(guò)了解電容器組的大小，可以采用開(kāi)放式方法對(duì)RC時(shí)間常數(shù)進(jìn)行放電。一旦電壓小于充電狀態(tài)的95％（在3×RC時(shí)間常數(shù)下發(fā)生），則假設(shè)電容器放電。

這樣做的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是通過(guò)一個(gè)具有已知接地電阻的開(kāi)關(guān)，當(dāng)需要放電時(shí)可以接通該開(kāi)關(guān)。參考圖1，電源序列發(fā)生器啟用每個(gè)DC-DC穩(wěn)壓器的輸出。然后可以使用該相同的使能（EN）信號(hào)來(lái)饋送并聯(lián)連接到電容器組的開(kāi)關(guān)。通過(guò)反轉(zhuǎn)使能信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)DC-DC穩(wěn)壓器的輸出被禁止時(shí)，它將使電容器放電。對(duì)于開(kāi)關(guān)，首選N溝道功率MOSFET，因?yàn)樗苋菀讖囊缘貫閰⒖嫉倪壿嬓盘?hào)驅(qū)動(dòng)。所選電路如圖2所示，Q2為N溝道功率MOSFET，Q1為P溝道MOSFET，反轉(zhuǎn)電源序列發(fā)生器的EN邏輯信號(hào)。

圖2：有源放電電路。

有源電容放電電路操作

參見(jiàn)圖2 - 電源序列發(fā)生器的EN輸出為DC-DC穩(wěn)壓器上的使能引腳供電以及電容器放電電路。當(dāng)邏輯“0”發(fā)出關(guān)閉信號(hào)時(shí)，P溝道MOSFET（Q1）將信號(hào)反相，然后接通N溝道MOSFET（Q2）以對(duì)電容器組放電。

放電電路假設(shè)一旦關(guān)閉信號(hào)施加，DC-DC穩(wěn)壓器就無(wú)法繼續(xù)產(chǎn)生輸出。如果在關(guān)閉命令激活后，DC-DC穩(wěn)壓器的輸出有電，則必須在放電電路激活之前引入延遲。這是為了確保放電MOSFET不會(huì)試圖吸收DC-DC穩(wěn)壓器的全部輸出電流能力。

為了從邏輯“0”信號(hào)增強(qiáng)N溝道功率MOSFET（Q2），P溝道MOSFET（Q1）將信號(hào)反相為5 V，以施加在Q2柵極源上。選擇P溝道MOSFET（Q1）不具有低柵極閾值電壓（VGS（th））。這是因?yàn)閂GS（th）相對(duì)于溫度下降并且Q1在邏輯“1”狀態(tài)期間需要處于OFF狀態(tài)以避免Q2的錯(cuò)誤接通。需要選擇適合5 V操作的最佳值以及Power Sequencer。

當(dāng)電源序列發(fā)生器輸出邏輯“1”時(shí)，DC-DC穩(wěn)壓器在ON狀態(tài)下使能，Q2必須處于OFF狀態(tài)。采用邏輯“1”輸出，最小高電平輸出電壓為4.19 V（電源序列發(fā)生器的EN引腳輸出規(guī)格），則在環(huán)境工作溫度為60°C時(shí)，Q1 VGS（th）需要大于0.9 V 。此外，Q2的柵極需要通過(guò)100kΩ的R1電阻下拉至源極電位，以避免誤導(dǎo)通。

溫度的VGS（th）變化在典型的電氣曲線中找到。 MOSFET數(shù)據(jù)表。例如，圖3中給出了來(lái)自Diodes Incorporated的ZXMP6A13F的歸一化VGS（th）與溫度的關(guān)系.ZXMP6A13F是首選器件，因?yàn)楸ＷC最小VGS（th）在室溫下為1 V，在60℃時(shí)降至約0.9 V °C。

圖3：ZXMP6A13F的溫度標(biāo)準(zhǔn)化RDS（on）和VGS（th）曲線。

當(dāng)電源序列發(fā)生器使能輸出變?yōu)檫壿?#39;0'時(shí)，則存在0.270 V的最大低電平輸出，Q1需要保證通過(guò)該5 V - 0.270 V信號(hào)增強(qiáng)通道，以確保Q2導(dǎo)通并放電電容器組。因此，Q1需要在VGS = -4.5 V時(shí)具有導(dǎo)通狀態(tài)。

為了對(duì)電容器組放電，選擇N溝道功率MOSFET（Q2）具有導(dǎo)通電阻（RDS（開(kāi)） ））適合于在10 ms內(nèi)對(duì)最大電容組放電，以確保在不到100 ms的時(shí)間內(nèi)完成10個(gè)通道的完全關(guān)閉順序。必須提供輔助電源，以在關(guān)閉電源后至少100 ms驅(qū)動(dòng)關(guān)閉電路（電源序列發(fā)生器）。

放電計(jì)算的時(shí)間

使用3 x RC時(shí)間常數(shù)，其中R是電容器組的ESR的組合電阻（假設(shè)<5mΩ），寄生走線電阻（假設(shè)為為<5mΩ），串聯(lián)漏極電阻（R2）和功率MOSFET Q2 RDS（on）。還包括功率MOSFET導(dǎo)通電阻的溫度依賴性，可以高達(dá)Tamb =25?C時(shí)最大RDS（on）的1.5倍，同時(shí)假設(shè)結(jié)已達(dá)到絕對(duì)最大額定溫度（典型TJ（最大值） ）= 150°C） - 參見(jiàn)圖5.

要在不到10 ms的時(shí)間內(nèi)對(duì)15 mF電容器組放電，需要3 x RC = 8 ms：

因此，功率MOSFET Q2在VGS = 4.5 V，Tamb =25?C時(shí)需要RDS（on）<80mΩ。假設(shè)一個(gè)50mΩ的串聯(lián)漏極電阻（在圖2中稱為R2）與MOSFET一起使用。

安全工作區(qū)和瞬態(tài)熱應(yīng)力

選擇功率MOSFET Q2的額定功率能夠處理放電電流的瞬態(tài)功耗。通過(guò)仿真計(jì)算峰值功率，并根據(jù)功率MOSFET數(shù)據(jù)表的瞬態(tài)功率容量圖檢查該值。由于功率MOSFET將隨時(shí)間消耗電容器的能量作為電流和電壓的函數(shù)，因此需要檢查數(shù)據(jù)表中的安全工作區(qū)（SOA）曲線。這將提供功率MOSFET可以安全處理的最大單脈沖，同時(shí)確保結(jié)溫不超過(guò)絕對(duì)最大額定值，典型TJ（最大值）= 150°C。 SOA應(yīng)該基于應(yīng)用的環(huán)境工作溫度和所需的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)，在這種情況下為4.5V。在放電0.9 V充電電容器組的情況下，然后檢查SOA曲線，以獲得1 V時(shí)的單脈沖峰值電流能力在1 ms和10 ms之間的脈沖寬度曲線。 SOA應(yīng)該針對(duì)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，散熱最小，也稱為最小推薦焊盤(pán)（MRP）布局。在這些條件下，請(qǐng)參考圖4了解DMN3027LFG的SOA。

圖4：DMN3027LFG的安全工作區(qū)（SOA）

需要在實(shí)際電路中測(cè)量電容器組的峰值浪涌電流，以確保足夠的電阻減慢響應(yīng)速度，以避免可能導(dǎo)致EMI問(wèn)題的急劇上升電流峰值以及N通道上的瞬態(tài)熱應(yīng)力功率MOSFET和電容器組。在圖2中，將一個(gè)50mΩ串聯(lián)電阻添加到Q2的漏極，以確保固定的已知值（與溫度無(wú)關(guān)）在放電路徑中的總電阻中占主導(dǎo)地位。

MOSFET導(dǎo)通電阻變化

請(qǐng)注意MOSFET的導(dǎo)通電阻隨溫度變化，如圖5所示，在4.5 V柵極驅(qū)動(dòng)的預(yù)期工作溫度范圍內(nèi)變化高達(dá)15mΩ。除此之外，您還將在零件到零件和批次之間進(jìn)行RDS（on）變化。典型的RDS（on）為22mΩ，在室溫下DMN3027LFG上4.5 V柵極驅(qū)動(dòng)的最大規(guī)格限制為26mΩ。

圖5：DMN3027LFG的導(dǎo)通電阻溫度響應(yīng)。

因此，為確保已知電阻在放電路徑中占主導(dǎo)地位，最佳做法是使用R2系列電阻，該電阻約為最大RDS（on）的兩倍在選定的門(mén)驅(qū)動(dòng)器上。當(dāng)R2為50mΩ且RDS（on）在15mΩ至40mΩ（典型值為22mΩ）之間變化時(shí)，95％的放電時(shí)間為3.9至5.4 ms（3 x RC）。這是最差情況下電容器組大小為20 mF。

功耗

計(jì)算功率MOSFET Q2和串聯(lián)電阻R2的功耗取決于占空比和Q2導(dǎo)通的時(shí)間。

如果在Q2導(dǎo)通時(shí)DC-DC穩(wěn)壓器上的0.9 V輸出使能，那么Q2和R2之間可以達(dá)到11 W。假設(shè)結(jié)溫達(dá)到150°C，典型的RDS（on）穩(wěn)定在35mΩ，如圖5所示。不應(yīng)允許這種情況，因?yàn)樗`反了DMN3027LFG的最大功耗并導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)絕對(duì)最大額定值。因此，必須禁用DC-DC穩(wěn)壓器輸出，同時(shí)啟用Q2。

這意味著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)電源序列發(fā)生器進(jìn)入連續(xù)循環(huán)啟用，然后每隔20 ms禁用DC-DC穩(wěn)壓器（10 ms啟用+ 10 ms禁用），那么這將導(dǎo)致Q2和R2上的功率約為0.5 W.這是通過(guò)知道存儲(chǔ)在電容器組中的總能量將每20 ms放電來(lái)計(jì)算的：

P = E/t =?CV2/20 ms = 500 mW，最大電容器組的C = 20 mF充電至1 V.

最壞情況下，RDS（on）為40mΩ，26mΩx1.5，VGS = 4.5 V，TJ（最大值）= 150°C（圖3）。因此，Q2和R2的功耗分別為222 mW和278 mW。 15mΩ的最低RDS（on）會(huì)使R2的功耗增加到385 mW;意味著需要0.5 W額定值的表面貼裝電阻。

在典型應(yīng)用中，環(huán)境溫度預(yù)計(jì)達(dá)到60°C，DMN3027LFG在最小推薦焊盤(pán)布局上的RθJA= 130°C/W，當(dāng)耗散222 mW時(shí)，TJ達(dá)到90°C 。這為T(mén)J（最大）= 150°C提供了充足的空間。

電容器組放電測(cè)量

使用DMN3027LFG和ZXMP6A13F組裝使用6 x 2,200 uF電解電容器（13.2 mF）的電容器組，如圖2所示.ZXMP6A13F用5 V手動(dòng)觸發(fā)信號(hào)。

使用和不使用50mΩ串聯(lián)電阻進(jìn)行測(cè)量，然后在室溫，零下和高溫下進(jìn)行測(cè)量，以觀察峰值電流和放電時(shí)間的變化。僅通過(guò)DMN3027LFG通道RDS（on）電阻（不帶50mΩ）放電會(huì)產(chǎn)生觀察最大峰值電流的最壞情況。請(qǐng)注意以下曲線中的時(shí)間尺度不同 - 200μs/div和1 ms/div

通道1（C1）為黃色= DMN3027LFG柵極引腳上的電壓

通道3 （C3）為品紅色=電容器組上的電壓

通道4（C4）為綠色=來(lái)自DMN3027LFG源引腳的電流探頭

圖6：室溫測(cè)量（約Ta = 20°C）。左曲線= 30 A峰值電流僅通過(guò)DMN3027LFG通道電阻放電（200μs/div）右曲線= 12.5通過(guò)DMN3027LFG和50mΩ串聯(lián)電阻放電的峰值電流（1 ms/div）

參見(jiàn)圖6，圖7和圖8 - 僅通過(guò)DMN3027LFG對(duì)13.2 mF電容器組放電，產(chǎn)生的峰值電流從24 A變化到35 A，具體取決于MOSFET RDS（on）的溫度響應(yīng)。通過(guò)添加50mΩ串聯(lián)電阻，可將峰值電流限制在<15 A，溫度變化僅限于11 A至14 A.請(qǐng)注意，隨著溫度升高，峰值電流會(huì)相對(duì)于RDS（on）增加而下降。

即使溫度變化，放電時(shí)間至初始1 V充電狀態(tài)的95％也會(huì)在約3至4 ms內(nèi)發(fā)生。這與3 x RC時(shí)間常數(shù)的預(yù)期相同，SPICE建模此電路可以復(fù)制類似的結(jié)果。模擬一個(gè)13.2 mF電容器組在27°C（默認(rèn)），加入50mΩ串聯(lián)電阻，然后峰值電流約為13 A，并在3 ms內(nèi)放電至95％。

圖7：高溫測(cè)量（大約Ta = 70°C）。左曲線= 24僅通過(guò)DMN3027LFG通道電阻的峰值電流放電（200μs/div）右曲線= 11通過(guò)DMN3027LFG和50mΩ串聯(lián)電阻（1 ms/div）放電的峰值電流

圖8：零下溫度測(cè)量（約Ta = -20°C）。左曲線= 35僅通過(guò)DMN3027LFG通道電阻的峰值電流放電（200μs/div）右曲線= 14通過(guò)DMN3027LFG和50mΩ串聯(lián)電阻（1 ms/div）放電的峰值電流

結(jié)論

已經(jīng)證明了一種基于已知RC時(shí)間常數(shù)對(duì)大電容器組放電的安全且簡(jiǎn)單的方法。這種開(kāi)放式技術(shù)可以根據(jù)電容大小進(jìn)行縮放。選擇了以下器件：

Q1 = SOT23中的ZXMP6A13F P溝道MOSFET

Q2 = PowerDI3333-8中的DMN3027LFG N溝道MOSFET

R2 = 50mΩ表面貼裝電阻能夠耗散500 mW。

通過(guò)在放電路徑中添加50mΩ串聯(lián)電阻，可以限制峰值放電電流并穩(wěn)定溫度變化。測(cè)量結(jié)果和模擬結(jié)果均吻合良好;讓設(shè)計(jì)師有信心對(duì)不同的電容器組尺寸進(jìn)行建模。