يعد التسلسل الصحيح لقضبان الطاقة المتعددة في النظام وظيفة بالغة الأهمية ويمكن إنجازه باستخدام طرق مختلفة.
يعرف المصممون ذوو الخبرة أن إحدى الفترات الأكثر خطورة في دورة تشغيل المنتج هي عند تشغيل الطاقة. تحدث مرحلة زيادة الطاقة هذه عندما يجب أن يصل كل من قضبان الطاقة المتعددة إلى قيمته الاسمية بالترتيب الصحيح، خلال فترة زمنية محددة، وبدون فترات عابرة أو رنين أو تجاوز.
إذا لم يكن التسلسل صحيحًا، ففي أفضل الأحوال، لن يتم تشغيل النظام بشكل صحيح، أو سيكون أدائه غير منتظم (ومع ذلك قد يعمل بشكل جيد عند إعادة المحاولة)؛ وفي أسوأ الحالات، قد تتلف بعض المكونات، وهو ما يمثل خطرًا بشكل خاص على الأجهزة التي تعمل بالطاقة. لاحظ أن إيقاف التشغيل قد يكون له تفويضات زمنية مماثلة، مع خطر حدوث ضرر - حتى المرة التالية التي يتم فيها تشغيل الوحدة، بالطبع، ولم تعد الوحدة تعمل في المكان الذي كانت تعمل فيه سابقًا.
قد تحتوي الدائرة المتكاملة عالية الأداء مثل FPGA على ستة أو أكثر من قضبان طاقة التيار المستمر المتميزة لدعم قلب الجهاز وذاكرة الوصول العشوائي والمخازن المؤقتة الداخلية والإدخال/الإخراج الخارجي مثل I2C، SPI، LVDS، والمنافذ الأخرى. قد يكون لهذه القضبان قيم اسمية مختلفة ولكنها متقاربة مثل 1.2 فولت، و1.5 فولت، و1.7 فولت، أو قد يكون للعديد من هذه القضبان نفس القيمة الاسمية ولكن بتفاوتات أو مواقع مادية مختلفة. وبالمثل، فإن IC متكامل للغاية ومخصص للتطبيقات مثل واي فاي قد تحتوي عقدة الشبكة على قضبان متعددة لدعم الوظائف الداخلية بالإضافة إلى جهود الواجهة التي يتطلبها معيار الصناعة أو مصدر ثنائي القطب لمشغل الهوائي ومضخم الطاقة الخاص به.
لا ينتهي عدد خطوط الطاقة بدائرة متكاملة واحدة. غالبًا ما يزداد عدد هذه القضبان مع النظام الكامل، والذي قد يحتوي على محركات، ووحدات MOSFET للطاقة/IGBTs، أو واجهات اتصالات خاصة مثل Ethernet أو حتى منافذ RS-232/422 القديمة. ونتيجة لذلك، وبغض النظر عن الحجم الفعلي، قد يحتوي النظام الكامل على عشرة قضبان أو أكثر يتم الحصول عليها من قبل منظمات مستقلة للتيار المستمر (تسمى أيضًا محولات الطاقة).
يتمثل التحدي الذي يواجهه المصمم في التأكد من أنه عند تطبيق الطاقة الأساسية - سواء عبر مفتاح تشغيل وإيقاف منفصل أو ما يعادله من مفتاح ناعم - فإن هذه القضبان تصل إلى قيمتها الكاملة والنهائية في تسلسل مصمم بعناية (الشكل 1).
حتى لو لم يكن هناك ضرر دائم، قد تكون الأعطال التشغيلية نتيجة غير مقبولة للتسلسل غير الصحيح: فكر في تأثير تشغيل دوائر MOSFET ذات قوة المحرك قبل تهيئة برنامج التحكم في المحرك واستعداده للتحكم في تلك الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة. ولا يجب أن ترتبط هذه المشكلات بحدث رسمي لتعزيز القوة؛ بدلاً من ذلك، يمكن أن يكون ذلك بسبب إدخال بطاقات الدائرة في تصميمات "المبادلة السريعة".
للتعامل مع هذه المشكلات، تتوفر دوائر متكاملة متخصصة لإدارة الطاقة (PMICs) والتي تنفذ تسلسل الطاقة وتوقيتها. يسمح PMIC كامل الوظائف لمهندس التصميم بما يلي:
- إنشاء تسلسل التشغيل/الإيقاف عبر قضبان متعددة فيما يتعلق ببعضها البعض.
- التحكم في معدلات المنحدر لأعلى/لأسفل لكل سكة، إذا لزم الأمر.
- إدارة القضبان المختلفة في حالة فشل أي سكة واحدة.
بشكل عام، يتم تحديد التوقيت بين القضبان من خلال جهود السكك الحديدية بدلاً من القيم الزمنية المطلقة والتأخيرات، وتكون الفترة الزمنية بين القضبان المتعاقبة "التي يتم تشغيلها" في حدود المللي ثانية. تتراوح إرشادات العلاقة المتبادلة بين بسيطة، مثل "تشغيل سكة الإمداد B فقط عند تشغيل سكة الإمداد A"، أو أكثر تعقيدًا، مثل "تشغيل سكة الإمداد C فقط عندما يكون كلا السكة A وB في الجهد النهائي". لاحظ أن "التشغيل" يتم تعريفه من خلال متطلبات التطبيق وغالبًا ما يمثل 90% من جهد السكة النهائي، ولكن في التطبيقات الحرجة، يمكن الوصول إليه خلال خمسة أو حتى 2% من الجهد النهائي.
على الرغم من أن الجهد هو المهم في معظم التصميمات، وليس الوقت نفسه، إلا أن بعض التصميمات تحل محل التوقيت كمعيار بدلاً من ذلك. يكون هذا ممكنًا إذا كان المصمم يعلم أن سكة جهد معينة تستغرق وقتًا محددًا جيدًا للوصول إلى القيمة المطلوبة، وأن قياس التوقيت بدقة أسهل بكثير من قياس الجهد.
في هذه الحالات، تتم ترجمة قاعدة مثل "تشغيل سكة الإمداد A بمجرد تشغيل الإمداد B" إلى "تشغيل سكة الإمداد B خلال 50 مللي ثانية بعد تشغيل سكة الإمداد A." ومع ذلك، يجب استخدام هذا النهج بحذر نظرًا لعدم وجود تحقق من أن سكة العرض "أ" قد وصلت بالفعل إلى القيمة المطلوبة، بخلاف "من المفترض أن تكون على ما يرام بما فيه الكفاية في هذا الوقت".
تقوم بعض الشركات PMICs بدمج كلاً من منظمات DC/DC (LDO والتبديل) بالإضافة إلى التسلسل المطلوب. لقد تم تحسينها لتطبيق مستهدف مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة (وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والشاشة والإدخال/الإخراج والوظائف القياسية الأخرى). في حين أنها مناسبة بشكل واضح للتطبيق المقصود ويجب أخذها في الاعتبار في هذا السياق، إلا أنها تحد بطبيعتها من المرونة العامة في اختيار المصمم لقضبان الجهد وأنواع التطبيقات الأخرى.
إن متطلبات تسلسل مصادر الطاقة ليست جديدة. على سبيل المثال، بالنسبة للأنابيب المفرغة - التي أصبحت الآن قديمة إلى حد كبير بسبب الدوائر المتكاملة باستثناء التطبيقات المتخصصة مثل أجهزة الأشعة السينية أو أجهزة إرسال البث الإذاعي/التلفزيوني - فهي مطلب شائع. قد يلزم تشغيل فتيل الأنبوب وعند درجة حرارة التشغيل النهائية قبل أن يتم تنشيط لوحة الأنبوب بجهده "B+". يتراوح هذا التأخير الزمني من صفر بالنسبة لراديو AM ذو الأنابيب الخمسة للمستهلك الأسطوري في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي، إلى عدة دقائق للأنابيب المستخدمة في أجهزة إرسال البث ذات نطاق كيلوواط.
يتم أحيانًا تنفيذ التسلسل يدويًا بواسطة مشغل النظام عبر مفاتيح التشغيل/الإيقاف؛ وفي حالات أخرى، يتم استخدام مرحل كهروميكانيكي خاص مزود بمؤقت مدمج. ومن المؤكد أن التحكم اليدوي أو الحل القائم على التتابع ليس عمليًا أو مرغوبًا فيه بالنسبة لمعظم منتجات اليوم، وخاصة تلك التي تستهدف الأسواق الكبيرة والمستهلكين العاديين.
ابدأ بالطبقة المادية
في أي مناقشة حول تسلسل الطاقة، هناك جانبان يجب أخذهما في الاعتبار: إشارة التحكم القادمة من جهاز التسلسل ومدخل التحكم المقابل في كل تيار مستمر منظم.
من الواضح أن جهاز التسلسل يجب أن يكون لديه ما يكفي من مخرجات التحكم، وفي بعض الحالات، يجب أن يكون لديه أيضًا بعض الأحكام لتوسيع العدد إذا لزم الأمر. هذه المخرجات عبارة عن إشارات تحكم بسيطة على المستوى المنطقي.
يجب أن تحتوي منظمات التيار المستمر التكميلية التي تقوم بتمكينها إما على مدخل تمكين دبوس واحد (EN)، أو يجب على المستخدم إضافة مفتاح إلكتروني (عادةً MOSFET) بين مخرج المنظم وسكة الطاقة الفعلية التي يقودها، ثم التحكم في هذا المفتاح (الشكل 2).
يُفضل عمومًا اختيار منظم التيار المستمر الذي يحتوي على تحكم تمكين بسيط على المستوى المنطقي، إذا كان متاحًا، أو تحديد PMIC، والذي يمكنه تشغيل / إيقاف تشغيل سكة الطاقة المنفصلة MOSFET مباشرة مع تصنيفات تيار / جهد مناسبة ولا يحتاج إلى سائق MOSFET منفصل.
في أبسط حالات التسلسل المتسلسل، حيث يتم تشغيل كل سكة على التوالي بينما تصبح سكة أخرى "جيدة"، غالبًا ما يكون الحل بسيطًا. إذا كان كل منظم للسكك الحديدية السابقة يحتوي على مخرج "طاقة جيدة" (PG) وكان المنظم التالي يحتوي على مدخل تحكم تمكيني، فإن مؤشر PG متصل بإدخال EN. عندما يشير المنظم الأول إلى PG، فإنه يقوم تلقائيًا بتشغيل المنظم التالي، وهكذا على طول الخط كنوع من تأثير مموج "السلسلة الزهرية" (الشكل 3).
سيعمل هذا النهج مع أي عدد من منظمات التيار المستمر المتسلسلة، لكن هذه الفضيلة هي أيضًا حدوده: يجب أن يكون لديهم نمط تسلسلي (على الرغم من إمكانية توصيل PG واحد بأكثر من EN)، وهناك القليل من المرونة. أيضًا، لا يمكن لهذا الأسلوب التحكم في التوقيت عندما يجب على أحد الإمدادات الانتظار لفترة زمنية محددة قبل التشغيل، ولا يمكنه معالجة تسلسل إيقاف التشغيل، والذي قد يكون بنفس أهمية التشغيل.
للتغلب على بعض هذه المشكلات، يمكن استخدام وحدة إعادة تعيين IC مع التحكم في المؤقت لتسلسل زيادة الطاقة. يمكن استخدام مؤقت IC الموقر والمتعدد الاستخدامات 555 (أو البديل الأحدث) للتحكم في التسلسل عن طريق استدعاء فترة زمنية بعد وصول السكة الأولى إلى قيمة النافذة الاسمية أو بعد إغلاق السكة. يتم تعيين الفترة الزمنية في الأجهزة من قبل المستخدم باستخدام المقاومات مع 555، لذلك يتم تحديدها حسب التصميم وقائمة مكونات الصنف (BOM)، وليس البرامج الثابتة (الشكل 4). على الرغم من أن هذا قد لا يبدو أسلوبًا أنيقًا، إلا أنه فعال، ومفيد بشكل خاص عندما تصبح مشكلة التسلسل مرئية فقط بعد الانتهاء من التصميم وتقييم لوحات النموذج الأولي (نعم، يحدث هذا).
بالنسبة للأنظمة التي تحتوي على المزيد من القضبان والتي تحتاج إلى مزيد من المرونة، يمكن استخدام PMIC مثل MAX16029 من الأجهزة التناظرية/Maxim Integrated لأربع قنوات، مع فترة التأخير الزمني التي يبرمجها المستخدم عبر المكثفات، وبالتالي تجنب تقلب الذاكرة أو مشكلات بدء التشغيل (الشكل 5).
كل قناة من القنوات الأربع مستقلة عن القنوات الأخرى، ويمكن استخدام خرج كل قناة في تكوين مفتوح الصرف يدعم جهود السكك الحديدية حتى 28 فولت، اللازمة لمنظمات التيار المستمر ذات المدى الأعلى. يتم ضبط توقيت PMICs الأخرى التي تتمتع بهذه الوظيفة عبر واجهة PMBus بدلاً من المكثفات أو المقاومات، وبالتالي يمكن ربطها بسلسلة تعاقبية للتعامل مع أكثر من أربعة قضبان.
يبحث الجزء التالي من هذه المقالة في حلول التسلسل المتطورة وسماتها.
محتوى EE World ذو الصلة
إذا كنت تقوم بتصميم دوائر متكاملة للطاقة، فإليك بعض الأدوات التي يجب وضعها في الاعتبار|
اختيار وتطبيق مصادر الطاقة القابلة للبرمجة
يعمل الجهاز على تمكين التسلسل المقاوم للخطأ لقضبان الطاقة FPGA
الدوائر المتكاملة الإشرافية ترويض مشاكل خلل زيادة الطاقة، الجزء الأول
الدوائر المتكاملة الإشرافية ترويض مشاكل خلل زيادة الطاقة، الجزء الأول
المراجع الخارجية
تكساس إنسترومنتس، "تسلسل إمدادات الطاقة لـ FPGAs"
الأجهزة التناظرية، "تبسيط تسلسل إمدادات الطاقة"
الأجهزة التناظرية، "التسلسل المعقد لإمدادات الطاقة أصبح سهلاً
شركة Advanced Micro Devices, Inc.، "تسلسل الطاقة المبسط"
رقاقة تكنولوجيا، شركة، "لماذا هناك حاجة إلى تسلسل الطاقة؟"