机载FC接口单元开关电路设计
期刊目录网微电子论文发表2020-11-30 10:27关注(1)
受制于有限的机载航电设备功率预算,本文介绍了一种基于MOSFET的机载FC接口单元开关电路的设计方案,结合主机应用需求,给出了系统架构,并分别详细阐述了FC接口、PCIE接口和具有短路保护功能开关电路的设计。测试验证和工程应用表明,该机载FC接口单元和开关电路的各项性能指标均满足系统要求。
关键字:FC;PCIE;开关电路
由于机载航电系统对于功耗的预算非常有限,在不同应用场景中,以受控方式开启和关断冗余设计的功能负载,节约有限功率资源至关重要,高效率、低功耗已成为现代电子技术发展的重要方向[1]。本文设计出了一种机载4通道FC接口单元,可以满足多种任务模式和不同应用场景下的高速信号处理要求,同时为每1路FC接口通道设计了独立且具有负载短路保护功能的开关电路,可以根据不同的应用场景,开启和关断对应的FC接口通道,以达到高效率、低功耗的工作目的。
1需求分析
根据主机系统设计要求,FC接口单元包含独立的4路FC通道,每1路通道对外提供FC接口和PCIE接口,分别支持FC-AE-ASM协议[2][3]和PCIExpress1.1基本协议[4],每1路FC接口通道都设置了开关电路,主机系统根据不同的应用场景可以控制4路FC接口通道开启或关断。同时该开关电路具有负载短路保护功能,如果发生负载短路情况,开关电路会自动关断,以防止巨大的短路电流对FC接口单元和主干电源造成损坏,保护整个设备安全。
2设计方案
2.1系统架构
根据FC-ASM协议处理的要求,FC接口单元选用V5系列FPGA器件作为核心来实现相关功能。该系列FPGA具备PCIe和PowerPC硬核,可以满足系统设计和逻辑更新迭代需要。FC接口单元系统架构示意图如图1所示。FC接口单元具有独立的4路FC通道,并且每1路通道都设置了开关电路,主机系统根据不同任务和应用环境需求,通过设置离散量,控制开关电路开启或关断相对应的负载通道,已实现低功耗、高效率工作。开关电路选用P沟道增强型场效应管(简称P-MOSFET)为核心来实现开关功能,同时该开关电路具备负载短路保护功能,当其中任一通道负载发生短路,其对应的开关电路随即关断,防止巨大的短路电流对FC接口单元和主机电源造成损坏,且不影响其他通道正常工作[5][6]。
2.2FC接口和PCIE接口
V5系列FPGA器件提供了多达640个用户IO和16路的RocketIOGTX,其RocketIOGTX串行接口支持150Mbps~6.5Gbps通信速率,支持通道绑定,支持CRC编码生成和校验,支持可编程的阻抗匹配以及电压抖动,接收器可以根据编程实现时间均等功能,支持SATA、PCIe、RapidIO以及FC等多种高速通信接口编码和电平特性,所有通信速率下均具备低功耗特性。选用该系列FPGA中的RocketIOGTX接口来设计FC接口和PCIE接口功能部分,其中2个GTX作为4LanesPCIe接口使用,1个GTX作为双余度FC接口使用。FC接口单元逻辑加载配置模式采用MasterBPI-Down配置,即配置模式引脚M[2:0]设置为“011”。
2.3开关电路
本文设计的机载FC接口单元具有4路独立的FC接口,当主机在某个特定应用场景下,只使用4路中的部分FC接口,此时其他冗余设计的FC接口可以关闭,以到达降低功耗的目的。基本的开关电路见图2中虚线框内电路,V1为P沟道增强型场效应管,其源极(S端)接电源VCC,栅极(G端)接三极管V2的集电极,漏极(D端)输出outV接负载电源芯片使能。开关电路控制信号SWITCH由主机控制,当信号SWITCH为高电平时,三极管V2导通,处于饱和状态,由于V2发射极接地,V1栅极电压GV被拉低到GND地电平,即GV≈0V,致使V1的栅极和源极之间存在电压差,即SV-GV≈VCC,场效应管V1导通,V1漏极输出outV为高电平,驱动后端负载电源芯片工作。当信号SWITCH为低电平时,三极管V2关闭,处于截止状态,由于V1栅极和源极之间接高阻抗电阻R1,使得栅极和源极同电平,即SV=GV=VCC,致使V1栅极和源极压差为0V,即SV-GV=0V,场效应管V1关闭,此时输出outV为低电平,后端负载电源芯片停止工作。
2.4具有短路保护开关电路
多数设计的负载开关都不具备短路保护功能,如果发生输出端负载短路情况,会在整条链路上形成非常大的短路电流,不但会烧毁开关电路,而且会对设备电源造成损坏,危及整个设备安全,因此设计具有负载短路保护功能的开关具有重要意义。具有短路保护功能的开关电路如图2所示,该电路是在基本开关电路的基础上增加了一个反向三极管V4和一个RC微分电路。当整个开关电路处于打开状态时,并且输出端outV未发生短路,如图3中虚线所示意的情况并未发生,场效应管漏极输出outV为高电平,三极管V4基极经电阻R5和R6接outV拉至高电平,此时V4导通,V2发射极被拉至低电平,V2导通,场效应管V1打开。当输出端outV发生短路,即outV=0V,三极管V4基极经电阻R5和R6接outV拉至低电平,此时V4关闭,致使V2关闭,场效应管V1栅极和源极由于电阻R1的存在,栅源之间压差为0V,V1关闭,漏极输出outV为低电平。经以上分析,当图3中输出端outV发生短路,整个开关电路随即关闭,起到了保护电路的作用。从整个图3电路看,当信号SWITCH开启为高电平时,由于输出端outV是低电平,三极管V4处于关闭状态,整个开关电路无法打开。为了在SWITCH开启为高电平时三极管V4可以导通,设计了一个RC电路,该电路由电容C1和电阻R4组成,可以产生一个短时间脉冲高电平。在SWITCH开启为高电平时,RC电路产生一个脉冲高电平,经由二极管V5和电阻R5加在V4基极端,V4导通,整个开关电路打开,输出outV变为高电平。当脉冲高电平消失后,outV高电平加在V4基极端,V4保持导通状态,整个开关电路保持打开状态。该RC电路是一种微分电路,其产生的脉冲高电平持续的时间r=R×C,设计中,电容C1容值选用0.1μF,电阻R4阻值选用100KΩ,时间常数为0.01秒,结合三极管和场效应管的开启时间,设计满足要求。
3结论
本文结合机载航电系统的发展方向和主机系统的应用需求,介绍了一种基于MOSFET的机载FC接口单元开关电路的设计方案,主机系统能够根据不同的应用场景,以受控方式开启和关断4通道FC接口中的任意一路功能负载,节约有限功率资源,以达到高效率且低功耗的工作目的。该机载FC接口单元和开关电路各项性能指标均符合主机系统要求,应用前景广泛。
作者:孟博 蔡明 王晨博
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