Zrozumienie i zastosowanie nadzorujących układów scalonych w celu uniknięcia zakłóceń podczas włączania zasilania układów niskiego napięcia

Doświadczeni inżynierowie wiedzą, że jednym z najbardziej niebezpiecznych momentów dla układu jest włączanie zasilania. W zależności od stałych czasowych i od tego, jak płynnie i szybko szyna zasilająca osiąga parametry znamionowe, różne układy scalone i części układu mogą się uruchamiać, blokować lub załączać w nieprawidłowym trybie, próbując ze sobą współpracować. Dodatkowo wyzwanie polega na tym, że synchronizacja czasowa oraz zmienne w czasie parametry działania układów scalonych podczas włączania zasilania mogą zależeć od temperatury, powiązanych kondensatorów, naprężeń mechanicznych, starzenia się i innych czynników.

Potencjalne problemy narastają wraz z obniżeniem napięcia na szynach do wartości jednocyfrowych, co mniejsza „luz”, lub inaczej mówiąc margines dla pracy z wartością znamionową szyny. Wszystkie te czynniki mogą prowadzić do niespójnych parametrów uruchamiania i konieczności przeprowadzania frustrujących procedur usuwania usterek.

Z tych powodów dostawcy analogowych układów scalonych opracowali specjalistyczne układy scalone, które oferują funkcje nadzoru eliminujące niepewność i niespójność podczas włączania zasilania. Niniejszy artykuł definiuje i charakteryzuje problem zakłóceń, a następnie omawia, jak można go uniknąć poprzez dodanie małych, specjalistycznych układów scalonych firmy Analog Devices.

Czym są zakłócenia?

Podobnie jak w przypadku wielu terminów technicznych, takich jak „bufor” lub „programowalność”, słowo „zakłócenia” może mieć różne znaczenie w zależności od kontekstu. Zakłóceniem może być:

• Skok indukowany szumami na linii sygnałowej lub zasilającej
• Nagły, krótki spadek napięcia w szynie zasilającej spowodowany stanem nieustalonym odbiornika
• Mikrosekundowy okres, w którym zarówno górne, jak i dolne tranzystory MOSFET w mostku są przypadkowo włączone jednocześnie w wyniku różnych czasów włączania/wyłączania w sterownikach bramek (bardzo niekorzystne zjawisko)
• Chwilowy nieokreślony sygnał i zjawisko hazardu wynikające z tolerancji synchronizacji czasowej oraz różnic między komponentami

W niniejszym artykule przedstawiono zakłócenia, które mogą występować w czasie „włączania zasilania”, przy przechodzeniu układów scalonych do normalnych warunków pracy, zwłaszcza w układach niskiego napięcia. Takie zakłócenia podczas włączania zasilania są szczególnie frustrujące, ponieważ mogą powodować przemijające, trudne do usunięcia problemy bez wyraźnej korelacji czy spójności. Ponieważ stany wywołujące zakłócenia pojawiają się często w warunkach brzegowych, ich występowanie może się różnić w zależności od temperatury, tolerancji szyny zasilającej (bez przekraczania specyfikacji), drobnych różnic poszczególnych komponentów w obrębie partii tego samego produktu oraz innych, trudnych do określenia czynników.

Czym są zakłócenia i jakie jest ich źródło? Rozważmy układ z mikrokontrolerem i powiązanym z nim układem scalonym nadzoru i resetowania ochronnego. Funkcja tego drugiego układu scalonego jest prosta i konkretna: utrzymanie niezawodnego działania układu podczas włączania, wyłączania i spadków napięcia (ilustracja 1).

Ilustracja 1: zrozumienie źródła zakłóceń rozpoczyna się od spojrzenia na prosty, typowy układ mikrokontrolera i powiązanego z nim układu scalonego nadzoru i resetowania zabezpieczeń, zasilanym zarówno z baterii, jak i z regulatora. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W typowym zastosowaniu zasilanym z baterii przetwornica prądu stałego generuje napięcie szyny zasilającej z małej baterii o niskim napięciu. Nadzorujący układ scalony dodaje się zazwyczaj między przetwornicą prądu stałego a mikrokontrolerem w celu monitorowania napięcia zasilania oraz włączania i wyłączania mikrokontrolera.

Nadzorujący układ scalony zapewnia niezawodne działanie poprzez dokładne monitorowanie zasilania układu, a następnie aktywację lub dezaktywację wejścia włączania mikrokontrolera. Włączaniem i wyłączaniem mikrokontrolera zarządza się za pomocą wtyku wyjściowego resetowania nadzorującego układu scalonego. Jest to zazwyczaj wtyk o otwartym drenie, który jest połączony z rezystorem podciągającym o rezystancji 10kΩ. Nadzorujący układ scalony monitoruje napięcie zasilania i zapewnia reset, gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej wartości progowej resetowania.

Po wzroście monitorowanego napięcia powyżej wartości progowej do wartości znamionowej, wyjście resetowania jest aktywne przez okres równy limitowi czasowemu resetu, a następnie jest dezaktywowane. Pozwala to mikrokontrolerowi docelowemu na wyjście ze stanu resetowania i rozpoczęcie pracy.

Ale co się dzieje z linią resetowania zanim nadzorujący układ scalony uruchomi się i obniży jej napięcie? Odpowiedź można znaleźć, patrząc dokładnie na typową sekwencję włączania zasilania (ilustracja 2). Gdy pojawia się napięcie szyny zasilającej V_CC, zarówno mikrokontroler, jak i nadzorujący układ scalony są wyłączone. W rezultacie linia resetowania nie posiada ustalonego potencjału, a rezystor podciągający 10kΩ powoduje, że jej napięcie podąża za napięciem V_CC.

Ilustracja 2: w typowej sekwencji włączania zasilania linia resetowania nie posiada ustalonego potencjału, więc jej napięcie podąża za wzrostem napięcia szyny zasilającej V_CC. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ten wzrost napięcia może wynosić od 0,5 do 0,9V, co może spowodować niestabilność układu. Po włączeniu nadzorującego układu scalonego napięcie linii resetowania jest obniżane, aby zapobiec przypadkowemu włączeniu mikrokontrolera. Tego typu zakłócenie jest powszechne dla wszystkich poprzednich generacji nadzorujących układów scalonych.

W układach niskiego napięcia ten problem jest wyraźniejszy

Taki scenariusz zakłóceń staje się poważnym problemem, przy czym częściej występuje w urządzeniach niskiej mocy, które działają przy coraz niższych napięciach. Przeanalizujmy układy z trzema poziomami logicznymi: 3,3V, 2,5V i 1,8V (ilustracja 3). W przypadku układu 3,3V wartość progowa niskiego napięcia wyjściowego (Vol) i wartość progowa niskiego napięcia wejściowego (Vil) mieszczą się w zakresie od 0,4V do 0,8V. Jeśli zakłócenie wystąpi przy napięciu 0,9V, może to spowodować niestabilność procesora przez jego wyłączenie i włączenie.

Ilustracja 3: poziomy logiczne spadły z wartości 3,3V do 1,8V i podobnie spadły powiązane wartości progowe napięcia. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Układ o nominalnym napięciu 1,8V jest jeszcze bardziej wrażliwy. Tutaj wartości Vol i Vil są znacznie niższe i wynoszą 0,45V oraz 0,63V. Zakłócenie 0,9V w tym układzie stanowi większą wartością procentową, wobec czego prawdopodobieństwo wystąpienia błędu jest większe.

W jaki sposób rozwija się ta sytuacja, gdy zakłócenie wpływa na działanie układu? Przeanalizujmy napięcie zasilania V_DD, które powoli wzrasta do 0,9V i zatrzymuje się na tym poziomie przez krótki okres (ilustracja 4). Napięcie to nie wystarcza do włączenia nadzorującego układu scalonego, jednak mikrokontroler może być włączony i pracować w stanie niestabilnym. Ponieważ wartość 0,9V jest w stanie nieokreślonym, zakłócenie można zinterpretować przy użyciu wejścia resetowania mikrokontrolera jako wartość logiczną 1 lub 0, co może spowodować jego nieoczekiwane włączenie lub wyłączenie.

Ilustracja 4: gdy napięcie zasilania V_DD wzrasta do 0,9V i utrzymuje się na tym poziomie, mikrokontroler może się włączać i wyłączać w sposób losowy. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W rezultacie mikrokontroler może wykonywać częściowe instrukcje lub niekompletne zapisy do pamięci. Są to tylko dwa przykłady tego, co może się zdarzyć, prawdopodobnie powodując awarię układu i jego potencjalnie katastroficzne w skutkach zachowanie.

Rozwiązywanie problemu zakłóceń

Wyeliminowanie tego problemu lub zminimalizowanie jego wpływu nie wymaga powrotu do szyn wysokiego napięcia ani skomplikowanej architektury na poziomie układu. Wymaga natomiast nowej generacji nadzorujących układów scalonych, podczas projektowania których wzięto pod uwagę osobliwą charakterystykę problemu i które zapobiegają powstawaniu zakłóceń, niezależnie od poziomu napięcia w momencie włączenia zasilania lub spadku napięcia.

Osiągnięcie tego celu wymaga użycia specjalistycznego obwodu i układu scalonego, na przykład MAX16162, czyli układu nadzorującego zasilanie typu nanopower z funkcją włączania zasilania bez zakłóceń. Dzięki temu malutkiemu układowi scalonemu - dostępnemu w obudowie typu WLP (Wafer Level Package) z czterema kulkami oraz typu SOT23 z czterema wtykami - wyjście resetowania jest utrzymywane na niskim poziomie, gdy napięcie V_DD jest niższe od napięcia progowego, co zapobiega powstawaniu zakłóceń napięcia na linii resetowania. Po osiągnięciu wartości progowej napięcia i zakończeniu okresu zwłoki wyjście resetowania jest dezaktywowane i włącza mikrokontroler (ilustracja 5).

Ilustracja 5: układ scalony MAX16162 utrzymuje niskie napięcie wyjścia resetowania, gdy napięcie V_DD jest niższe od napięcia progowego, co zapobiega powstawaniu zakłóceń napięcia na linii resetowania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W przeciwieństwie do konwencjonalnych nadzorujących układów scalonych, które nie są w stanie sterować stanem wyjścia resetowania, gdy napięcie V_CC jest bardzo niskie, urządzenie MAX16162 gwarantuje utrzymanie stanu aktywacji wyjścia resetowania aż do osiągnięcia prawidłowego poziomu V_CC.

Układ scalony MAX16161 jest blisko spokrewniony z układem MAX16162 - mają one niemal identyczne parametry, z jedną tylko różnicą funkcjonalną i nieco zmienionym przypisaniem wtyków (ilustracja 6). Posiada wejście resetowania ręcznego (MR), które umożliwia reset po odebraniu odpowiedniego sygnału wejściowego, którym może być sygnał typu „aktywne-niskie” lub „aktywne-wysokie”, w zależności od wybranej opcji. Natomiast urządzenie MAX16162 nie posiada wejścia MR, ale zamiast tego występują oddzielne wtyki V_CC i V_IN,, które pozwalają na obsługę napięć progowych o wartości zaledwie 0,6V.

Ilustracja 6: urządzenia MAX16161 i MAX16162 są podobne, choć różnią się nieco funkcjonalnie i pod kątem układu wtyków: układ scalony MAX16161 jest wyposażony w wejście resetowania ręcznego (MR), które aktywuje resetowanie po odebraniu odpowiedniego sygnału wejściowego, a układ scalony MAX16162 posiada osobne wtyki V_CC i V_IN. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Sekwencer a układ nadzorujący

Inną parą terminów, które mają pewien wspólny mianownik i mogą nie być jednoznacznie zrozumiane jest para sekwencer i układ nadzorujący. Układ nadzorujący monitoruje pojedyncze napięcie zasilania i w określonych okolicznościach aktywuje lub zwalnia operację resetowania. Sekwencer natomiast koordynuje resety względne i aktywacje typu „Power OK” pomiędzy co najmniej dwiema szybami.

Układy MAX16161 i MAX16162 mogą być używane jako proste sekwencery zasilania (ilustracja 7). Po osiągnięciu prawidłowej wartości napięcia wyjściowego pierwszego regulatora, urządzenia MAX16161/MAX16162 stosują opóźnienie i generują sygnał uruchomienia dla drugiego regulatora po upływie limitu czasu resetowania. Ponieważ urządzenia MAX16161/MAX16162 nie dezaktywują resetu do czasu osiągnięcia przez napięcie zasilania prawidłowej wartości, nigdy nie dochodzi do nieprawidłowego włączenia sterowanego zasilania.

Ilustracja 7: obwód wykorzystujący układ MAX16161 można skonfigurować tak, aby urządzenie nie tylko zapewniło włączanie zasilania bez zakłóceń, ale także zarządzało sekwencją między dwiema szynami. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Istnieją również liczne projekty z wieloma szynami i bardziej złożonymi potrzebami w zakresie sekwencjonowania. W takich sytuacjach rozwiązaniem może być wielokanałowy sekwencer zasilania z układem nadzorującym LTC2928 firmy Analog Devices (ilustracja 8).

Ilustracja 8: sekwencer zasilania LTC2928 zarządza kolejnością włączania i wyłączania zasilania czterech niezależnych szyn i umożliwia użytkownikowi kontrolę nad kluczowymi parametrami. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ten czterokanałowy kaskadowy sekwencer zasilania z układem nadzorującym wysokiej dokładności pozwala projektantom na konfigurowanie wartości progowych, kolejności i synchronizacji zarządzania zasilaniem, przy użyciu zaledwie kilku komponentów zewnętrznych. Zapewnia on żądaną kolejność włączania szyn zasilania. Poza sekwencjonowaniem włączania zasilania może on zarządzać dodatkowym, ale często równie krytycznym sekwencjonowaniem wyłączania zasilania.

Wyjścia sekwencji służą do sterowania wtykami włączania zasilania lub bramkami przepustowymi z kanałem N. Dodatkowe funkcje kontrolne to m.in. monitorowanie i raportowanie zbyt niskiego i zbyt wysokiego napięcia, a także generowanie resetu mikroprocesora. Typ i źródło usterek są zgłaszane do celów diagnostycznych. Dostępne są oddzielne elementy sterujące kanałami umożliwiające wykonywanie funkcji włączania wyjść i funkcji kontrolnych niezależnie. W przypadku układów zawierających więcej niż cztery szyny, można z łatwością podłączyć wiele modułów LTC2928s w celu sekwencjonowania nieograniczonej liczby zasilaczy.

Podsumowanie

Zakłócenia występują w każdym zastosowaniu, ale nie stanowią one istotnego problemu w przypadku wyższych napięć, które aż do niedawna stanowiły większość. Obecnie napięcia zasilania obniżają się, co zmniejsza niezawodność układów podczas włączania na skutek zakłóceń o napięciu 0,9V.

Projektanci mogą poprawić niezawodność swoich rozwiązań dzięki nowszym układom scalonym, które zapewniają bezzakłóceniową pracę układu, w celu zapewnienia najwyższego poziomu ochrony układów w niskonapięciowych zastosowaniach niskiej mocy.

Rekomendowane artykuły

1. Analog Devices/Maxim Integrated Products, rozwiązanie projektowe 7550, „Czy twój produkt jest zabezpieczony przed zakłóceniami?”