Die richtige Reihenfolge der mehreren Stromschienen in einem System ist eine entscheidende Funktion und kann mit verschiedenen Ansätzen erreicht werden.
Erfahrene Designer wissen, dass eine der riskantesten Phasen im Betriebszyklus eines Produkts das Einschalten ist. In dieser Einschaltphase muss jede der mehreren Stromschienen in der richtigen Reihenfolge, innerhalb eines festgelegten Zeitfensters und ohne Transienten, Klingeln oder Überschwingen ihren Nennwert erreichen.
Wenn die Reihenfolge nicht korrekt ist, wird das System im besten Fall nicht ordnungsgemäß „hochfahren“ oder seine Leistung ist unregelmäßig (und funktioniert bei einem erneuten Versuch möglicherweise noch einwandfrei). Im schlimmsten Fall kommt es zur Beschädigung einiger Komponenten, was insbesondere bei Power-Geräten ein Risiko darstellt. Beachten Sie, dass beim Ausschalten möglicherweise ähnliche Zeitvorgaben gelten und das Risiko einer Beschädigung besteht – natürlich bis zum nächsten Einschalten des Geräts und das Gerät nicht mehr wie zuvor funktioniert.
Ein Hochleistungs-IC wie ein FPGA kann über ein halbes Dutzend oder mehr verschiedene Gleichstromschienen verfügen, um den Gerätekern, RAM, interne Puffer und externe E/A wie I zu unterstützen2C, SPI, LVDS und andere Ports. Diese Schienen können unterschiedliche, aber eng beieinander liegende Nennwerte haben, z. B. 1.2 V, 1.5 V und 1.7 V, oder mehrere dieser Schienen können denselben Nennwert haben, jedoch unterschiedliche Toleranzen oder physikalische Standorte. Ebenso kann ein hochintegrierter, anwendungsspezifischer IC wie ein Wi-Fi Ein Netzwerkknoten verfügt möglicherweise über mehrere Schienen zur Unterstützung interner Funktionen sowie der von einem Industriestandard geforderten Schnittstellenspannungen oder einer bipolaren Versorgung für den Antennentreiber und seinen Leistungsverstärker.
Die Anzahl der Stromschienen endet nicht mit diesem einzelnen IC. Die Anzahl solcher Schienen nimmt oft mit dem Gesamtsystem weiter zu, das Motortreiber, Leistungs-MOSFETs/IGBTs oder spezielle Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet oder sogar ältere RS-232/422-Ports. Daher kann das gesamte System unabhängig von der physischen Größe über zehn oder mehr Schienen verfügen, die von unabhängigen Gleichstromreglern (auch Leistungswandlern genannt) gespeist werden.
Die Herausforderung für den Designer besteht darin, sicherzustellen, dass diese Schienen beim Anlegen der Primärleistung – sei es über einen diskreten Ein-Aus-Schalter oder ein Soft-Switch-Äquivalent – in einer sorgfältig choreografierten Reihenfolge ihren vollen Endwert erreichen (Figure 1).
Auch wenn keine dauerhaften Schäden vorliegen, können Betriebsstörungen eine inakzeptable Folge einer falschen Reihenfolge sein: Berücksichtigen Sie die Auswirkungen des Einschaltens der Motorleistungs-MOSFETs, bevor die Motorsteuerungssoftware initialisiert und zur Steuerung dieser MOSFETs bereit ist. Diese Probleme müssen auch nicht unbedingt mit einem formellen Power-Up-Ereignis verbunden sein; Stattdessen können sie auf das Einsetzen von Leiterplatten in „Hot-Swap“-Designs zurückzuführen sein.
Um diese Probleme zu lösen, stehen spezielle Power-Management-ICs (PMICs) zur Verfügung, die die Leistungssequenzierung und -zeitsteuerung implementieren. Ein voll funktionsfähiger PMIC ermöglicht dem Designingenieur:
- Legen Sie die Ein-/Ausschaltsequenz über mehrere Schienen zueinander fest.
- Steuern Sie bei Bedarf die Anstiegs-/Abstiegsraten jeder Schiene.
- Verwalten Sie die verschiedenen Schienen, wenn eine einzelne Schiene ausfällt.
Im Allgemeinen wird das Timing zwischen den Schienen eher durch die Schienenspannungen als durch absolute Zeitwerte und Verzögerungen bestimmt, und die Zeitspanne zwischen dem „Einschalten“ aufeinanderfolgender Schienen liegt in der Größenordnung von Millisekunden. Die Richtlinien für die Zusammenhänge reichen von einfachen Richtlinien wie „Schalten Sie die Versorgungsschiene B nur ein, wenn die Versorgungsschiene A eingeschaltet ist“ bis hin zu komplizierteren Richtlinien wie „Schalten Sie die Versorgungsschiene C nur ein, wenn sowohl die Versorgungsschiene A als auch die Versorgungsschiene B die endgültige Spannung haben.“ Beachten Sie, dass „Ein“ durch die Anwendungsanforderungen definiert wird und meistens 90 % der endgültigen Schienenspannung beträgt, in kritischen Anwendungen jedoch innerhalb von fünf oder sogar 2 % der endgültigen Spannung erreicht werden kann.
Obwohl bei den meisten Designs die Spannung entscheidend ist und nicht die Zeit selbst, ersetzen einige Designs stattdessen das Timing als Kriterium. Dies ist möglich, wenn der Entwickler weiß, dass eine bestimmte Spannungsschiene eine genau definierte Zeit benötigt, um den gewünschten Wert zu erreichen, und dass sich das Timing viel einfacher genau messen lässt als die Spannung.
In diesen Fällen wird eine Regel wie „Schalten Sie die Schiene von Versorgung A ein, sobald Versorgung B eingeschaltet ist“ in „Schalten Sie die Schiene von B 50 Millisekunden nach dem Einschalten der Schiene von A ein“ übersetzt. Dieser Ansatz muss jedoch mit Vorsicht angewendet werden, da es keine Bestätigung dafür gibt, dass die Schiene von Versorgung A tatsächlich den gewünschten Wert erreicht hat, außer „zu diesem Zeitpunkt soll es in Ordnung sein.“
Einige PMICs integrieren sowohl die DC/DC-Regler (LDO und Schalten) als auch die erforderliche Sequenzierung. Sie sind für eine Zielanwendung wie Notebook-PCs optimiert (CPU, Speicher, Anzeige, I/O und andere Standardfunktionen). Obwohl diese offensichtlich gut für die beabsichtigte Anwendung geeignet sind und in diesem Zusammenhang berücksichtigt werden sollten, schränken sie grundsätzlich auch die Gesamtflexibilität des Designers bei der Auswahl von Spannungsschienen und -typen für andere Anwendungen ein.
Die Anforderung, Stromversorgungen in der Reihenfolge zu ordnen, ist nicht neu. Beispielsweise ist dies eine häufige Anforderung für Vakuumröhren, die heute, mit Ausnahme von Spezialanwendungen wie Röntgengeräten oder Radio-/TV-Rundfunksendern, weitgehend durch ICs überholt sind. Der Glühfaden der Röhre muss möglicherweise eingeschaltet und auf die endgültige Betriebstemperatur gebracht werden, bevor die Platte der Röhre durch ihre „B+“-Spannung mit Strom versorgt werden kann. Diese Zeitverzögerung reicht von Null für das legendäre Fünf-Röhren-AM-Radio der 1940er und 1950er-Jahre bis zu vielen Minuten für Röhren, die in Rundfunksendern im kW-Bereich verwendet werden.
Der Ablauf wird manchmal vom Anlagenbetreiber manuell über Ein-/Ausschalter umgesetzt; in anderen Fällen wird ein spezielles elektromechanisches Relais mit eingebautem Timer verwendet. Sicherlich ist für die meisten heutigen Produkte, insbesondere für solche, die auf Massenmärkte und Durchschnittsverbraucher abzielen, weder eine manuelle Steuerung noch eine relaisbasierte Lösung praktisch oder wünschenswert.
Beginnen Sie auf der physischen Ebene
Bei jeder Diskussion über die Leistungssequenzierung sind zwei Aspekte zu berücksichtigen: das vom Sequenzer kommende Steuersignal und der entsprechende Steuereingang an jedem DC Regler.
Natürlich muss der Sequenzer über genügend Steuerausgänge verfügen und in manchen Fällen auch über Möglichkeiten zur Erweiterung der Anzahl bei Bedarf verfügen. Bei diesen Ausgängen handelt es sich um einfache Steuersignale mit Logikpegel.
Die komplementären Gleichstromregler, die sie aktivieren, müssen entweder über einen Single-Pin-Enable-Eingang (EN) verfügen, oder der Benutzer muss einen elektronischen Schalter (normalerweise einen MOSFET) zwischen dem Reglerausgang und der physischen Stromschiene, die er antreibt, hinzufügen und diesen Schalter dann steuern (Figure 2).
Im Allgemeinen ist es vorzuziehen, einen Gleichstromregler zu wählen, der über eine einfache Freigabesteuerung auf Logikebene verfügt, sofern verfügbar, oder einen PMIC zu wählen, der den diskreten Ein-/Aus-MOSFET der Stromschiene direkt mit geeigneten Strom-/Spannungswerten ansteuern kann und keinen benötigt separater MOSFET-Treiber.
Im einfachsten Fall der sequentiellen Sequenzierung, bei der jede Schiene der Reihe nach eingeschaltet wird, wenn eine andere Schiene „gut“ wird, ist die Lösung oft einfach. Wenn der Regler jeder vorhergehenden Schiene über einen „Power Good“-Ausgang (PG) und der nächste Regler über einen Enable-Steuereingang verfügt, ist die PG-Anzeige mit dem EN-Eingang verbunden. Wenn der erste Regler PG signalisiert, schaltet er automatisch den nächsten ein und so weiter auf der ganzen Linie als eine Art „Daisy-Chain“-Welleneffekt (Figure 3).
Dieser Ansatz funktioniert für eine beliebige Anzahl von Gleichstromreglern in Reihe, aber dieser Vorteil ist auch seine Grenze: Sie müssen ein sequentielles Muster haben (obwohl ein PG mit mehr als einem EN verbunden werden kann), und es gibt wenig Flexibilität. Außerdem kann dieser Ansatz nicht das Timing steuern, wenn eine Versorgung eine bestimmte Zeitspanne warten muss, bevor sie eingeschaltet wird, und er kann sich nicht mit der Abschaltsequenz befassen, die möglicherweise genauso wichtig ist wie das Einschalten.
Um einige dieser Probleme zu lösen, kann ein Reset-IC mit Timer-Steuerung für die Einschaltsequenzierung verwendet werden. Der ehrwürdige und vielseitige Timer-IC 555 (oder eine neuere Variante) kann zur Steuerung der Sequenzierung verwendet werden, indem eine Zeitspanne aufgerufen wird, nachdem die erste Schiene den Nennfensterwert erreicht oder nachdem eine Schiene heruntergefahren wurde. Der Zeitraum wird in der Hardware vom Benutzer mithilfe von Widerständen beim 555 eingestellt, sodass er durch das Design und die Stückliste festgelegt wird, nicht durch die Firmware (Figure 4). Dies mag zwar nicht wie ein eleganter Ansatz erscheinen, ist aber effektiv und besonders nützlich, wenn ein Sequenzierungsproblem erst sichtbar wird, nachdem das Design fertig ist und Prototypenplatinen evaluiert werden (ja, das kommt vor).
Für Systeme mit mehr Schienen und Bedarf an mehr Flexibilität kann ein PMIC wie der MAX16029 von Analog Devices/Maxim Integrated für vier Kanäle verwendet werden, wobei die Zeitverzögerungszeit über Kondensatoren vom Benutzer programmiert wird, wodurch Speichervolatilität oder Startprobleme vermieden werden (Figure 5).
Jeder der vier Kanäle ist unabhängig von den anderen, und der Ausgang jedes Kanals kann in einer Open-Drain-Konfiguration verwendet werden, die Schienenspannungen von bis zu 28 V unterstützt, die für DC-Regler mit höherem Bereich benötigt werden. Bei anderen PMICs mit dieser Funktionalität wird das Timing über eine PMBus-Schnittstelle und nicht über Kondensatoren oder Widerstände eingestellt und kann daher in Reihe geschaltet werden, um mehr als vier Schienen zu verwalten.
Der nächste Teil dieses Artikels befasst sich mit High-End-Sequenzierungslösungen und ihren Eigenschaften.
Verwandte EE World-Inhalte
Wenn Sie Leistungs-ICs entwerfen, sollten Sie die folgenden Tools in Betracht ziehen|
Auswahl und Anwendung programmierbarer Netzteile
Gerät ermöglicht fehlersichere Sequenzierung von FPGA-Stromschienen
Überwachungs-ICs lindern Probleme mit Einschaltstörungen, Teil 1
Überwachungs-ICs lindern Probleme mit Einschaltstörungen, Teil 2
Externe Referenzen
Texas Instruments, „Stromversorgungssequenzierung für FPGAs“
Analog Devices, „Stromversorgungssequenzierung vereinfacht“
Analog Devices: „Komplexe Stromversorgungssequenzierung leicht gemacht
Advanced Micro Devices, Inc., „Vereinfachte Leistungssequenzierung“
Mikrochip Technologie, Inc., „Warum ist Power Sequencing erforderlich?“