机载FC接口单元开关电路设计

发布时间：2022-10-05 21:42 热度：

　　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