解决电源的系统性故障—第一部分：利用输出放电

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摘要

在电气、电子及可编程电子(E/E/PE)安全相关系统中，电源模块作为关键支撑元件，对系统平稳地转入安全状态起着至关重要的作用。通过提高此类模块的稳健性和系统能力，可以消除相关的系统性故障。本系列的第一部分针对与输出放电相关的常见系统性故障，讨论了三种电源解决方案。

引言

电源模块在电子系统中提供了最关键的功能之一，因为它们的行为影响系统在不同工作模式（启动、关闭、稳态运行）下的表现以及发生故障时的表现——这对于实现功能安全应用中的安全状态至关重要。需要注意的是，系统性能力是满足基本功能安全标准的三项关键要求之一。这项要求侧重于预防和控制系统性故障，即由于设计缺陷、技术规格偏差和管理流程不善引起的故障。面对此类要求，必须解决电源的系统性故障。^1,2

为了消除电源引起的系统性故障，需要使用正确的技术规格，提供必要的时序控制，并确保负载始终在其裕量范围内运行。如图1所示，传感器子系统中的图像传感器和逻辑子系统中的微控制器是安全相关系统中最易受影响的元器件之一。如果系统复位时涉及自动重启此类子系统的电源，则这些元器件可能会损坏。

对于图像传感器而言，不完整的上电或关断周期会使电路承受电气应力³。当系统关断时，图像传感器的电源也应尽快关断，以便图像传感器在理想条件下（即电路中没有残留电压）迅速重新启动。如果传感器由典型线性稳压器供电，即使稳压器的电源关闭，稳压器的输出通常也会由输出电容予以维持，使图像传感器保持通电状态。这种情况可能会干扰系统预期的关断和开启操作。图2显示了一个电源示例，输出电压为3.3 V，输出电容为10 µF。利用 LTspice®进行仿真，此示例在10 kΩ负载下的放电时间为160 ms。

使用输出放电功能

为了确保关断时输出电压完全放电，一种方法是使用输出放电功能。对于需要精确电源时序和更快关断时间的应用而言，这类功能必不可少，能够在系统关断时处理电源轨的浮地输出，从而缓解电源循环过程中可能出现的问题。图3显示了有输出放电功能和无输出放电功能的输出电压曲线示例。

添加外部MOSFET作为放电电路

在最近的电源管理设计中，越来越多的低压差(LDO)稳压器引入了附加功能，其中电源良好信号(PGOOD)已成为一项越来越常见的功能。PGOOD信号是LDO的一种状态输出，通常用于告知系统输出电压已达到并正在保持适当的稳压值。在大多数实现方式中，此信号来自一个开漏MOSFET，其状态会根据稳压器的状态而改变。当LDO输出处于稳压范围内时，PGOOD MOSFET关断，使得该引脚处于高阻抗状态，并使PGOOD输出引脚被拉高。这种情况如图4a所示。而当输出超出范围时，MOSFET会导通，通过其低阻抗路径将PGOOD引脚拉低。这种配置使得PGOOD信号能够轻松地与不同的逻辑电平和电源电压连接，因此具有良好的通用性和广泛的适用范围。这种情况如图4b所示。

然而，这也带来了设计上的挑战。大多数LDO PGOOD输出采用的开漏MOSFET主要用于辅助管理任务，只能吸收少量电流，并不适合直接从输出电容中吸收大电流，尤其是在LDO禁用或关断时输出需要快速放电的情况下。若强行尝试用它来承载大电流，可能会损坏器件，或者根本行不通。

更稳健的解决方案是将PGOOD信号与外部MOSFET电路结合，形成受控放电路径。如图5所示，此电路使用放电电阻R1，后者决定了输出电容的放电速度。设计人员可根据所需的放电时间确定该电阻的大小。较大的电阻会使电容放电更慢，而较小的电阻会加快放电速度。在这种配置中，MOSFET Q1用作放电开关；当通过使能引脚(EN)禁用转换器时，此开关导通。同时，Q2负责反转来自LDO的PGOOD信号的逻辑，确保Q1以正确的时序激活。这种设置可实现完全定制的有源放电电路，能够根据LDO的状态作出适当响应。

采用这种方法，任何配备PGOOD引脚的LDO都能有效地新增外部有源输出放电功能。这为设计人员提供了极大的灵活性，让他们能够微调电源轨的放电曲线。然而，其代价是需要使用外部元件，因而成本和电路板占用空间都会增加。尽管如此，在需要精确控制放电的应用中，这仍然是一种有价值且可定制的解决方案。

实现集成解决方案

为了在不借助外部电路的情况下满足这一需求，ADI公司提供了集成有源放电功能的LDO解决方案。例如， LT3063内置了有源输出放电机制，可简化设计过程，减少元件数量，节省PCB空间，同时还能实现快速放电。如图6所示，使用该器件可实现0.5 ms的放电时间，与图5中的示例相比，改善效果明显。

使用监控电路

在安全关键应用中，为了实现更高的可靠性和足够的独立性，最好采用单独的监控电路。LTC2928等电源时序控制器集成了过压和欠压监控功能，可确保符合功能安全要求，同时支持电源时序控制和输出放电。图7显示的是一个示例电路。其他具有输出放电功能的监控电路包括MAX16050和MAX16051。

结论

为了选择合适的方法来解决电源输出的放电性能问题，需要对设计要求和工作条件进行全面评估。实现有源输出放电的多种方法各有优势和不足。有些解决方案在特定的输出或应用场景下可能更有效，而其他方法在不同条件下可能性能更佳。 因此，了解每种技术的特点和局限性是确保实施效果达到最优的关键。

在需要较高输出电压或最大灵活性的应用中，通常首选外部MOSFET。但是，设计人员必须愿意接受更高的成本、更大的电路板占用空间和逆变电路带来的额外功耗。对于低功耗或空间受限的设计而言，集成解决方案通常是最佳选择，无需额外的元件，同时还能降低功耗。缺点是这类方案的可用性较为有限，因为只有某些LDO支持此特性。此外，监控电路非常适合具有多个输出轨且注重电源时序的系统。虽然监控电路的MOSFET灌电流有限，对于大输出电容而言效果差强人意，但在注重时序控制、系统协调及功能安全独立性的应用场景中，监控电路仍是很好的选择。总之，选择何种方法，取决于方法的优势是否与应用对输出电压、空间、放电时间和时序控制的特定要求相契合。

参考文献

¹ Bryan Borres和Noel Tenorio，“工业功能安全电源设计——第一部分：IEC 61508标准解读”，ADI公司，2025年7月。

² IEC 61508 All Parts，“Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems”，国际电工委员会(IEC)，2010年。

³ "具备有源输出放电功能的线性稳压器专为需要快速关断的系统设计”，ADI公司，2014年7月。

⁴ Bryan Borres和Christopher Macatangay，“利用高性能电压监控器提高工业功能安全合规性——第一部分”，《模拟对话》，第58卷 第3期，2024年8月。

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