设计fpga稳定电源定序的注意事项

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确保多重 FPGA 电轨依正确顺序关闭,跟确保开机程序是否正确一样重要,可避免装置因电压状态无法判断而提早出现故障。

电源定序的安全考虑

在启动目前的大型系统单芯片 FPGA 的多重电轨时,有许多技巧可用来控制其启动顺序和时序。遵照装置制造商所指定的正确顺序甚为重要,如此可避免装置抽取过多电流而导致损坏。

有些方法是透过操纵各转换器的电源良好输出,来控制顺序中下一个供应的 Enable 脚位。如需要继电器,可插入电容器。另一种类似的方式则是使用重置 IC,在前一个供电达到所要求的电压后启动下一个转换器。每种方法都有一些缺点,且这些方法都无法控制电源关闭的顺序。依正确的相反顺序关闭电轨,跟开启电源顺序是否正确一样重要,都是为了确保装置能安全运作。

使用专用的电源定序 IC,则更能稳定确保其顺序正确。IC 可程序化,在所要的时间点分别传送 Enable 讯号。图 1 显示多信道序列发生器如何管理 FPGA 核心逻辑、周边和 I/O 电域。即使如此,电源关闭顺序仍旧难以控制,因为每个电轨上的去耦合电容器在转换器关闭后仍可能残留电荷,且残留时间不一定,而每个电轨最多可能连接多达 20mF 的总去耦合电容。

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图 1. 透过定序 IC 管理 FPGA 电轨。

电源关闭控制

使用具有已知时间常数的电路,主动将去耦合电容器放电,序列发生器便能维持正确的电源关闭顺序,其做法是在串联的电容器中暂时插入放电电阻器。图 2 显示如何在加入最少必要组件下,使用一对细心挑选的 MOSFET 将电阻器插入电路中。

电源序列发生器的 EN 输出连接到 DC-DC 稳压器的 Enable 脚位,也连接到 P 通道 MOSFET (Q1) 的闸极。序列发生器输出降低停用 DC-DC 稳压器时,Q1 便会反转讯号,开启 N 信道 MOSFET Q2。开启时,Q2 会透过 R2 电阻使 15mF 去耦合电容器放电到接地。

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图 2. 控制电源定序的主动放电电路。

图中的电路假设 DC-DC 稳压器在提供关机讯号后无法持续产生输出。假如 DC-DC 稳压器的输出能在收到关机指令后持续供应电源,则需要额外的继电器才能启动放电电路。

选择的 R2 值必须能确保适当的放电时间,让序列发生器能在可接受的时间间隔内完成关机。另外还要注意的是,电阻必须够大,才能避免电流尖峰值上升率过快,避免引发 EMI 问题,以及对 Q2 和去耦合电容器组造成瞬态热应力。实务上,选择 R2 值时需考虑一些额外的重要参数,像是 Q2 的导通电阻 (RDS(ON)) 和电容器组的等效串联电阻 (ESR)。

选择 MOSFET Q1 时应参考电源序列发生器的输出电压阈值。所选的装置应有够高的闸极阈值电压 (VGS(th)),确保序列发生器输出为高电位时能保持关闭,但要注意的是,VGS(th) 会随接面温度上升而下降。本范例中选择的序列发生器操作供应电压为 5V,最小指定高电位输出电压为 4.19V。Q1 的 VGS(th) 在 60°C 环境操作温度下必须大于 0.9V,以确保运作正常。此外,闸极应使用 100kΩ 电阻下拉至源极电位,以避免误开。查看 MOSFET 数据表中 VGS(th) 与温度的标准化曲线,显示 Diodes 公司的 ZXMP6A13F 符合要求:保证最小 VGS(th) 在室温下为 1V,到 60°C 则下降至 0.9V 左右。

在此范例中,我们假设序列发生器必须在 100ms 内关闭总共 10V 的电轨。因此,每个电轨的去耦合电容器组必须在 10ms 内完成放电。目标是达成 RC 时间常数 8ms 的 3 倍,确保电容器在要求时间内放电到全电压的 5% 以下。计算 RC 常数时,电容器组的 MOSFET RDS(ON)、寄生线路电阻和 ESR 都必须与电阻器 R2 一同纳入考虑。

假设电容器 ESR 和线路电阻加起来不超过 10mΩ,去耦合电容器组的总电容值为 15mF,则 RDS(ON) 和 R2 的适当值可用下列表达式求得:

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

假设 R2 = 50mΩ,功率 MOSFET Q2 的 RDS(ON) 在 VGS = 4.5V 且环境温度为 25˚C 下必须小于 80mΩ。

选择 MOSFET 时,温度相关变动的效应和 RDS(ON) 的批量变异也应考虑在内。RDS(ON) 在 4.5V 闸极驱动下、超出预期作业温度范围时的变异可能高达 15mΩ。因此最好的做法是,确定 R2 为所选 MOSFET 之制造商指定最大 RDS(ON) 的两倍左右。如果 R2 为 50mΩ,则可选用 Diodes 公司的 DMN3027LFG N 通道 MOSFET。此装置在 VGS = 4.5V、室温下的 RDS(ON) 典型值和最大值分别为 22mΩ 和 26.5mΩ。因此,RDS(ON) 变化可从 15mΩ 到 40mΩ,放电时间从 95% (3 倍 RC) 的 3.9ms 起跳,使用最差 20mF 大小的电容器组时放电时间则可能拉长到 5.4ms。

MOSFET 够耐用吗?

DMN3027LFG 会随时间以电流和电压为函数消耗电容器内的能源,因此有需要评估最大单一脉冲,让功率 MOSFET 能够安全应付,同时确保接面温度不会超过绝对最高额定典型值 TJ(max) = 150°C。相关详细资料可查看 MOSFET 数据表中的安全操作区 (SOA)。SOA 应以所需的 MOSFET 闸极驱动器应用的环境操作温度为基础。在使带 0.9V 电荷的电容器组放电时,可接受的 SOA 曲线应指出单一脉冲尖峰电流量为至少 1V,脉冲宽度介于 1ms 至 10ms。SOA 应适用于一般的应用环境温度,安装在使用最少散热器 (亦称最小建议垫片 (MRP) 配置) 下的电路板上时,亦即假设的 60°C。

此外也需要考虑 DMN3027LFG (Q2) MOSFET 和 R2 串联电阻的功耗。最糟的使用情况,就是在很短的时间内对电容器进行充放电。假设最糟情况下,电源序列发生器可进入连续回路,每隔 20ms 启动一次 DC-DC 稳压器并接着停用 (10ms 启用 + 10ms 停用),DMN3027LFG 和 R2 将会有大约 0.5W 的功耗。这是从电容器组储存的已知总能源会每隔 20ms 放电计算得到:

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

DMN3027LFG 的最大温度调整 RDS(ON) 为 40mΩ,因此 Q2 和 R2 的功耗分别为 222mW 和 278mW。若 RDS(ON) 为较低的 15mΩ,R2 的功耗将增加到 385mW,因此需使用 0.5W 额定值的电阻。

在一般应用中,环境温度预期接近 60°C,而 DMN3027LFG 在最小建议垫片配置下的接面至环境热电阻 (RθJA) 为 130°C/W,功耗达 222mW 时 TJ 接近 90°C。这表示 TJ(max) = 150°C 还有很多预留空间。

图 3 显示电路实际运作方式。尖峰电流限制在大约 12.5A,电容器组从初始 1V 充电状态下放电至 5% 的时间约为 4ms,此数值接近理论值的计算结果。

设计fpga稳定电源定序的注意事项

 

图 3.在控制时间和限制放电电流下关闭单一电轨。

结论

依照正确顺序关闭个别电源供应,跟确定开机顺序是否正确一样重要,都是为了避免复杂的多轨式 FPGA 损坏。让去耦合电容器主动放电,有助于稳定确保每个电轨能在已知的时间内关闭。在选择主动放电电路的组件,也就是主要的串联电阻器和主要 MOSFET 开关时,应确保组件具备适当的时间常数,且能耐受最糟的电源循环条件下所造成的应力。