電源模塊在電子系統(tǒng)中提供了最關(guān)鍵的功能之一，因?yàn)樗鼈兊男袨橛绊懴到y(tǒng)在不同工作模式（啟動(dòng)、關(guān)閉、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行）下的表現(xiàn)以及發(fā)生故障時(shí)的表現(xiàn)——這對(duì)于實(shí)現(xiàn)功能安全應(yīng)用中的安全狀態(tài)至關(guān)重要。需要注意的是，系統(tǒng)性能力是滿足基本功能安全標(biāo)準(zhǔn)的三項(xiàng)關(guān)鍵要求之一。這項(xiàng)要求側(cè)重于預(yù)防和控制系統(tǒng)性故障，即由于設(shè)計(jì)缺陷、技術(shù)規(guī)格偏差和管理流程不善引起的故障。面對(duì)此類要求，必須解決電源的系統(tǒng)性故障。

為了消除電源引起的系統(tǒng)性故障，需要使用正確的技術(shù)規(guī)格，提供必要的時(shí)序控制，并確保負(fù)載始終在其裕量范圍內(nèi)運(yùn)行。如圖1所示，傳感器子系統(tǒng)中的圖像傳感器和邏輯子系統(tǒng)中的微控制器是安全相關(guān)系統(tǒng)中最易受影響的元器件之一。如果系統(tǒng)復(fù)位時(shí)涉及自動(dòng)重啟此類子系統(tǒng)的電源，則這些元器件可能會(huì)損壞。

圖1. 自主移動(dòng)機(jī)器人(AMR)子系統(tǒng)示例

對(duì)于圖像傳感器而言，不完整的上電或關(guān)斷周期會(huì)使電路承受電氣應(yīng)力。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)，圖像傳感器的電源也應(yīng)盡快關(guān)斷，以便圖像傳感器在理想條件下（即電路中沒(méi)有殘留電壓）迅速重新啟動(dòng)。如果傳感器由典型線性穩(wěn)壓器供電，即使穩(wěn)壓器的電源關(guān)閉，穩(wěn)壓器的輸出通常也會(huì)由輸出電容予以維持，使圖像傳感器保持通電狀態(tài)。這種情況可能會(huì)干擾系統(tǒng)預(yù)期的關(guān)斷和開(kāi)啟操作。圖2顯示了一個(gè)電源示例，輸出電壓為3.3 V，輸出電容為10 μF。利用 LTspice進(jìn)行仿真，此示例在10 kΩ負(fù)載下的放電時(shí)間為160 ms。

圖2. 電源示例：(a)LDO；(b)輸出電壓放電時(shí)間

使用輸出放電功能

為了確保關(guān)斷時(shí)輸出電壓完全放電，一種方法是使用輸出放電功能。對(duì)于需要精確電源時(shí)序和更快關(guān)斷時(shí)間的應(yīng)用而言，這類功能必不可少，能夠在系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)處理電源軌的浮地輸出，從而緩解電源循環(huán)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。圖3顯示了有輸出放電功能和無(wú)輸出放電功能的輸出電壓曲線示例。

圖3. 輸出放電操作

添加外部MOSFET作為放電電路

在最近的電源管理設(shè)計(jì)中，越來(lái)越多的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器引入了附加功能，其中電源良好信號(hào)(PGOOD)已成為一項(xiàng)越來(lái)越常見(jiàn)的功能。PGOOD信號(hào)是LDO的一種狀態(tài)輸出，通常用于告知系統(tǒng)輸出電壓已達(dá)到并正在保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓值。在大多數(shù)實(shí)現(xiàn)方式中，此信號(hào)來(lái)自一個(gè)開(kāi)漏MOSFET，其狀態(tài)會(huì)根據(jù)穩(wěn)壓器的狀態(tài)而改變。當(dāng)LDO輸出處于穩(wěn)壓范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD MOSFET關(guān)斷，使得該引腳處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，并使PGOOD輸出引腳被拉高。這種情況如圖4a所示。而當(dāng)輸出超出范圍時(shí)，MOSFET會(huì)導(dǎo)通，通過(guò)其低阻抗路徑將PGOOD引腳拉低。這種配置使得PGOOD信號(hào)能夠輕松地與不同的邏輯電平和電源電壓連接，因此具有良好的通用性和廣泛的適用范圍。這種情況如圖4b所示。

然而，這也帶來(lái)了設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。大多數(shù)LDO PGOOD輸出采用的開(kāi)漏MOSFET主要用于輔助管理任務(wù)，只能吸收少量電流，并不適合直接從輸出電容中吸收大電流，尤其是在LDO禁用或關(guān)斷時(shí)輸出需要快速放電的情況下。若強(qiáng)行嘗試用它來(lái)承載大電流，可能會(huì)損壞器件，或者根本行不通。

圖4. PGOOD信號(hào)演示：(a)置為有效時(shí)；(b)置為無(wú)效時(shí)

更穩(wěn)健的解決方案是將PGOOD信號(hào)與外部MOSFET電路結(jié)合，形成受控放電路徑。如圖5所示，此電路使用放電電阻R1，后者決定了輸出電容的放電速度。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)所需的放電時(shí)間確定該電阻的大小。較大的電阻會(huì)使電容放電更慢，而較小的電阻會(huì)加快放電速度。在這種配置中，MOSFET Q1用作放電開(kāi)關(guān)；當(dāng)通過(guò)使能引腳(EN)禁用轉(zhuǎn)換器時(shí)，此開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。同時(shí)，Q2負(fù)責(zé)反轉(zhuǎn)來(lái)自LDO的PGOOD信號(hào)的邏輯，確保Q1以正確的時(shí)序激活。這種設(shè)置可實(shí)現(xiàn)完全定制的有源放電電路，能夠根據(jù)LDO的狀態(tài)作出適當(dāng)響應(yīng)。

圖5. (a)利用LT3045的PGOOD信號(hào)來(lái)觸發(fā)外部MOSFET，實(shí)現(xiàn)放電電路；(b)在10 kΩ負(fù)載下，放電時(shí)間為3.2 ms

圖6. (a) LT3063示例電路；(b)在10 kΩ輸出負(fù)載下，放電時(shí)間為0.5 ms

采用這種方法，任何配備PGOOD引腳的LDO都能有效地新增外部有源輸出放電功能。這為設(shè)計(jì)人員提供了極大的靈活性，讓他們能夠微調(diào)電源軌的放電曲線。然而，其代價(jià)是需要使用外部元件，因而成本和電路板占用空間都會(huì)增加。盡管如此，在需要精確控制放電的應(yīng)用中，這仍然是一種有價(jià)值且可定制的解決方案。

實(shí)現(xiàn)集成解決方案

為了在不借助外部電路的情況下滿足這一需求，ADI公司提供了集成有源放電功能的LDO解決方案。例如， LT3063內(nèi)置了有源輸出放電機(jī)制，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，減少元件數(shù)量，節(jié)省PCB空間，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)快速放電。如圖6所示，使用該器件可實(shí)現(xiàn)0.5 ms的放電時(shí)間，與圖5中的示例相比，改善效果明顯。

圖7. (a) LT2928示例電路；(b)在10 kΩ負(fù)載下，放電時(shí)間為6.5 ms

在安全關(guān)鍵應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和足夠的獨(dú)立性，最好采用單獨(dú)的監(jiān)控電路。LTC2928等電源時(shí)序控制器集成了過(guò)壓和欠壓監(jiān)控功能，可確保符合功能安全要求，同時(shí)支持電源時(shí)序控制和輸出放電。圖7顯示的是一個(gè)示例電路。其他具有輸出放電功能的監(jiān)控電路包括MAX16050和MAX16051。

結(jié)論

為了選擇合適的方法來(lái)解決電源輸出的放電性能問(wèn)題，需要對(duì)設(shè)計(jì)要求和工作條件進(jìn)行全面評(píng)估。實(shí)現(xiàn)有源輸出放電的多種方法各有優(yōu)勢(shì)和不足。有些解決方案在特定的輸出或應(yīng)用場(chǎng)景下可能更有效，而其他方法在不同條件下可能性能更佳。 因此，了解每種技術(shù)的特點(diǎn)和局限性是確保實(shí)施效果達(dá)到最優(yōu)的關(guān)鍵。

在需要較高輸出電壓或最大靈活性的應(yīng)用中，通常首選外部MOSFET。但是，設(shè)計(jì)人員必須愿意接受更高的成本、更大的電路板占用空間和逆變電路帶來(lái)的額外功耗。對(duì)于低功耗或空間受限的設(shè)計(jì)而言，集成解決方案通常是最佳選擇，無(wú)需額外的元件，同時(shí)還能降低功耗。缺點(diǎn)是這類方案的可用性較為有限，因?yàn)橹挥心承㎜DO支持此特性。此外，監(jiān)控電路非常適合具有多個(gè)輸出軌且注重電源時(shí)序的系統(tǒng)。雖然監(jiān)控電路的MOSFET灌電流有限，對(duì)于大輸出電容而言效果差強(qiáng)人意，但在注重時(shí)序控制、系統(tǒng)協(xié)調(diào)及功能安全獨(dú)立性的應(yīng)用場(chǎng)景中，監(jiān)控電路仍是很好的選擇?？傊?，選擇何種方法，取決于方法的優(yōu)勢(shì)是否與應(yīng)用對(duì)輸出電壓、空間、放電時(shí)間和時(shí)序控制的特定要求相契合。