電源模塊在電子系統(tǒng)中提供了最關鍵的功能之一，因為它們的行為影響系統(tǒng)在不同工作模式（啟動、關閉、穩(wěn)態(tài)運行）下的表現(xiàn)以及發(fā)生故障時的表現(xiàn)——這對于實現(xiàn)功能安全應用中的安全狀態(tài)至關重要。需要注意的是，系統(tǒng)性能力是滿足基本功能安全標準的三項關鍵要求之一。這項要求側重于預防和控制系統(tǒng)性故障，即由于設計缺陷、技術規(guī)格偏差和管理流程不善引起的故障。面對此類要求，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規(guī)格，提供必要的時序控制，并確保負載始終在其裕量范圍內(nèi)運行。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系統(tǒng)中最易受影響的元器件之一。如果系統(tǒng)復位時涉及自動重啟此類子系統(tǒng)的電源，則這些元器件可能會損壞。

對于圖像傳感器而言，不完整的上電或關斷周期會使電路承受電氣應力。當系統(tǒng)關斷時，圖像傳感器的電源也應盡快關斷，以便圖像傳感器在理想條件下（即電路中沒有殘留電壓）迅速重新啟動。如果傳感器由典型線性穩(wěn)壓器供電，即使穩(wěn)壓器的電源關閉，穩(wěn)壓器的輸出通常也會由輸出電容予以維持，使圖像傳感器保持通電狀態(tài)。這種情況可能會干擾系統(tǒng)預期的關斷和開啟操作。圖2顯示了一個電源示例，輸出電壓為3.3 V，輸出電容為10 μF。利用 LTspice進行仿真，此示例在10 kΩ負載下的放電時間為160 ms。

圖2. 電源示例：(a)LDO；(b)輸出電壓放電時間

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

圖3. 輸出放電操作

在最近的電源管理設計中，越來越多的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器引入了附加功能，其中電源良好信號(PGOOD)已成為一項越來越常見的功能。PGOOD信號是LDO的一種狀態(tài)輸出，通常用于告知系統(tǒng)輸出電壓已達到并正在保持適當?shù)姆€(wěn)壓值。在大多數(shù)實現(xiàn)方式中，此信號來自一個開漏MOSFET，其狀態(tài)會根據(jù)穩(wěn)壓器的狀態(tài)而改變。當LDO輸出處于穩(wěn)壓范圍內(nèi)時，PGOOD MOSFET關斷，使得該引腳處于高阻抗狀態(tài)，并使PGOOD輸出引腳被拉高。這種情況如圖4a所示。而當輸出超出范圍時，MOSFET會導通，通過其低阻抗路徑將PGOOD引腳拉低。這種配置使得PGOOD信號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，這也帶來了設計上的挑戰(zhàn)。大多數(shù)LDO PGOOD輸出采用的開漏MOSFET主要用于輔助管理任務，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禁用或關斷時輸出需要快速放電的情況下。若強行嘗試用它來承載大電流，可能會損壞器件，或者根本行不通。

更穩(wěn)健的解決方案是將PGOOD信號與外部MOSFET電路結合，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。設計人員可根據(jù)所需的放電時間確定該電阻的大小。較大的電阻會使電容放電更慢，而較小的電阻會加快放電速度。在這種配置中，MOSFET Q1用作放電開關；當通過使能引腳(EN)禁用轉換器時，此開關導通。同時，Q2負責反轉來自LDO的PGOOD信號的邏輯，確保Q1以正確的時序激活。這種設置可實現(xiàn)完全定制的有源放電電路，能夠根據(jù)LDO的狀態(tài)作出適當響應。

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。這為設計人員提供了極大的靈活性，讓他們能夠微調電源軌的放電曲線。然而，其代價是需要使用外部元件，因而成本和電路板占用空間都會增加。盡管如此，在需要精確控制放電的應用中，這仍然是一種有價值且可定制的解決方案。

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制，可簡化設計過程，減少元件數(shù)量，節(jié)省PCB空間，同時還能實現(xiàn)快速放電。如圖6所示，使用該器件可實現(xiàn)0.5 ms的放電時間，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負載下，放電時間為6.5 ms

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

為了選擇合適的方法來解決電源輸出的放電性能問題，需要對設計要求和工作條件進行全面評估。實現(xiàn)有源輸出放電的多種方法各有優(yōu)勢和不足。有些解決方案在特定的輸出或應用場景下可能更有效，而其他方法在不同條件下可能性能更佳。 因此，了解每種技術的特點和局限性是確保實施效果達到最優(yōu)的關鍵。

在需要較高輸出電壓或最大靈活性的應用中，通常首選外部MOSFET。但是，設計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的額外功耗。對于低功耗或空間受限的設計而言，集成解決方案通常是最佳選擇，無需額外的元件，同時還能降低功耗。缺點是這類方案的可用性較為有限，因為只有某些LDO支持此特性。此外，監(jiān)控電路非常適合具有多個輸出軌且注重電源時序的系統(tǒng)。雖然監(jiān)控電路的MOSFET灌電流有限，對于大輸出電容而言效果差強人意，但在注重時序控制、系統(tǒng)協(xié)調及功能安全獨立性的應用場景中，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)勢是否與應用對輸出電壓、空間、放電時間和時序控制的特定要求相契合。