La secuenciación adecuada de los múltiples rieles de alimentación de un sistema es una función crítica y se puede lograr utilizando diferentes enfoques.
Los diseñadores experimentados saben que uno de los períodos más riesgosos en el ciclo operativo de un producto es cuando se enciende la energía. Esta fase de encendido es cuando cada uno de los múltiples rieles de alimentación debe alcanzar su valor nominal en el orden correcto, dentro de un período de tiempo designado y sin transitorios, timbres o sobrepasos.
Si la secuenciación no es correcta, en el mejor de los casos, el sistema no “arrancará” correctamente o su rendimiento será errático (y aún así puede funcionar bien en un reintento); en el peor de los casos, algunos componentes se dañarán, lo que supone un riesgo especialmente en el caso de dispositivos eléctricos. Tenga en cuenta que el apagado puede tener mandatos de sincronización similares, con el riesgo de daños (hasta la próxima vez que se encienda la unidad, por supuesto, y la unidad ya no funcione donde lo hacía antes).
Un IC de alto rendimiento, como un FPGA, puede tener media docena o más rieles de alimentación de CC distintos para soportar el núcleo del dispositivo, la RAM, los buffers internos y las E/S externas, como I.2C, SPI, LVDS y otros puertos. Estos rieles pueden tener valores nominales diferentes pero muy espaciados, como 1.2 V, 1.5 V y 1.7 V, o varios de estos rieles pueden tener el mismo valor nominal pero con diferentes tolerancias o ubicaciones físicas. De manera similar, un CI altamente integrado y específico de la aplicación, como un Wi-Fi El nodo de red puede tener múltiples rieles para soportar funciones internas, así como voltajes de interfaz requeridos por un estándar industrial o un suministro bipolar para el controlador de antena y su amplificador de potencia.
El recuento de power-rail no termina con ese único IC. El número de estos rieles a menudo aumentará aún más con el sistema completo, que puede tener controladores de motor, MOSFET de potencia/IGBTs, o interfaces de comunicaciones especiales como Ethernet o incluso puertos RS-232/422 heredados. Como resultado, independientemente del tamaño físico, el sistema completo puede tener diez o más rieles alimentados por reguladores de CC independientes (también llamados convertidores de potencia).
El desafío del diseñador es garantizar que cuando se aplica energía primaria, ya sea a través de un interruptor de encendido y apagado discreto o un interruptor suave equivalente, estos rieles alcancen su valor final completo en una secuencia cuidadosamente coreografiada (Figura 1 y XNUMX).
Incluso si no hay daños permanentes, las fallas operativas pueden ser una consecuencia inaceptable de una secuencia incorrecta: considere el efecto de encender los MOSFET de potencia del motor antes de que el software de control del motor esté inicializado y listo para controlar esos MOSFET. Estos problemas tampoco tienen que estar asociados con un evento formal de fortalecimiento; en cambio, pueden deberse a la inserción de tarjetas de circuito en diseños de “intercambio en caliente”.
Para abordar estos problemas, se encuentran disponibles circuitos integrados de administración de energía (PMIC) especializados que implementan secuenciación y temporización de energía. Un PMIC con todas las funciones permite al ingeniero de diseño:
- establecer secuencias de encendido/apagado a través de múltiples rieles entre sí.
- Controle las velocidades de subida/bajada de cada carril, si es necesario.
- gestionar los distintos rieles si alguno de ellos falla.
Generalmente, el tiempo entre los rieles está determinado por los voltajes de los rieles en lugar de los valores de tiempo absoluto y los retrasos, y el período de tiempo entre los rieles sucesivos que se "encienden" es del orden de milisegundos. Las pautas de interrelación van desde simples, como "encienda el riel de suministro B solo cuando el riel de suministro A esté encendido", hasta más complicadas, como "encienda el riel de suministro C solo cuando los rieles A y B estén en el voltaje final". Tenga en cuenta que "encendido" está definido por los requisitos de la aplicación y suele ser el 90 % del voltaje final del riel, pero en aplicaciones críticas, puede alcanzarse dentro del cinco o incluso el 2 % del voltaje final.
Aunque en la mayoría de los diseños lo crítico es el voltaje, no el tiempo en sí, algunos diseños sustituyen el tiempo como criterio. Esto es posible si el diseñador sabe que un riel de voltaje específico necesita un tiempo bien definido para alcanzar el valor deseado, y el tiempo es mucho más fácil de medir con precisión que el voltaje.
En estos casos, una regla como "encender el riel del suministro A una vez que el suministro B esté encendido" se traduce en "encender el riel de B 50 milisegundos después de que se enciende el riel de A". Sin embargo, este enfoque debe usarse con precaución ya que no hay ninguna verificación de que el riel del suministro A realmente haya alcanzado el valor deseado, aparte de "se supone que está lo suficientemente bien en este momento".
Algunos PMIC integran los reguladores CC/CC (LDO y conmutación) además de la secuenciación necesaria. Están optimizados para una aplicación de destino, como computadoras portátiles (CPU, memoria, pantalla, E/S y otras funciones estándar). Si bien estos obviamente se adaptan bien a la aplicación prevista y deben considerarse en ese contexto, también limitan inherentemente la flexibilidad general en la elección por parte del diseñador de rieles de voltaje y tipos para otras aplicaciones.
El requisito de secuenciar las fuentes de alimentación no es nuevo. Por ejemplo, para los tubos de vacío (hoy en gran medida obsoletos gracias a los circuitos integrados, excepto para aplicaciones especializadas como máquinas de rayos X o transmisores de radiodifusión y televisión), es un requisito común. Es posible que sea necesario encender el filamento del tubo y alcanzar la temperatura de funcionamiento final antes de que la placa del tubo pueda ser energizada por su voltaje “B+”. Este retardo de tiempo varía desde cero para la legendaria radio AM de cinco tubos de consumo de las décadas de 1940 y 1950, hasta muchos minutos para los tubos utilizados en transmisores de transmisión de rango de kW.
A veces, el operador del sistema implementa manualmente la secuencia mediante interruptores de encendido/apagado; en otros casos, se utiliza un relé electromecánico especial con un temporizador incorporado. Ciertamente, ni un control manual ni una solución basada en relés son prácticos o deseables para la mayoría de los productos actuales, especialmente aquellos dirigidos a mercados masivos y consumidores promedio.
Comience en la capa física
En cualquier discusión sobre secuenciación de potencia, hay dos aspectos a tener en cuenta: la señal de control proveniente del secuenciador y la entrada de control correspondiente en cada CC. organismo regulador.
Obviamente, el secuenciador debe tener suficientes salidas de control y, en algunos casos, también tener alguna provisión para expandir el número si es necesario. Estas salidas son señales de control simples de nivel lógico.
Los reguladores de CC complementarios que están habilitando deben tener una entrada de habilitación (EN) de un solo pin, o el usuario debe agregar un interruptor electrónico (generalmente un MOSFET) entre la salida del regulador y el riel de alimentación físico que controla, y luego controlar este interruptor. (Figura 2 y XNUMX).
Generalmente es preferible elegir un regulador de CC que tenga un control de habilitación de nivel lógico simple, si está disponible, o seleccionar PMIC, que puede accionar directamente el MOSFET de encendido/apagado del riel de alimentación discreto con clasificaciones de corriente/voltaje adecuadas y no necesita un controlador MOSFET separado.
En el caso más simple de secuenciación secuencial, donde cada riel se enciende en serie a medida que otro riel se vuelve "bueno", la solución suele ser simple. Si el regulador de cada riel anterior tiene una salida de “buena potencia” (PG) y el siguiente regulador tiene una entrada de control Habilitar, el indicador PG está conectado a la entrada EN. Cuando el primer regulador indica PG, enciende automáticamente el siguiente, y así sucesivamente como una especie de efecto dominó de “cadena tipo margarita” (Figura 3 y XNUMX).
Este enfoque funcionará para cualquier número de reguladores de CC en serie, pero esa virtud también es su límite: deben tener un patrón secuencial (aunque un PG puede conectarse a más de un EN) y hay poca flexibilidad. Además, este enfoque no puede controlar el tiempo cuando un suministro debe esperar un intervalo de tiempo específico antes de encenderse, y no puede abordar la secuencia de apagado, que puede ser tan importante como el encendido.
Para superar algunos de estos problemas, se puede utilizar un IC de reinicio con control de temporizador para la secuencia de encendido. El venerable y versátil temporizador IC 555 (o una variante más nueva) se puede utilizar para controlar la secuencia invocando un período de tiempo después de que el primer riel alcanza el valor de ventana nominal o después de que un riel se apaga. El usuario establece el período de tiempo en el hardware mediante resistencias con el 555, por lo que se establece mediante el diseño y la lista de materiales, no por el firmware (Figura 4 y XNUMX). Si bien esto puede no parecer un enfoque elegante, es efectivo, especialmente útil cuando un problema de secuencia se vuelve visible solo después de que se realiza el diseño y se evalúan las placas prototipo (sí, eso sucede).
Para sistemas con más rieles y que necesitan más flexibilidad, se puede usar un PMIC como el MAX16029 de Analog Devices/Maxim Integrated para cuatro canales, con el período de retardo programado por el usuario a través de capacitores, evitando así la volatilidad de la memoria o problemas de arranque. (Figura 5 y XNUMX).
Cada uno de los cuatro canales es independiente de los demás, y la salida de cada canal se puede utilizar en una configuración de drenaje abierto que admite voltajes de riel de hasta 28 V, necesarios para reguladores de CC de rango superior. Otros PMIC con esta funcionalidad tienen su sincronización configurada a través de una interfaz PMBus en lugar de capacitores o resistencias, por lo que pueden conectarse en cadena para manejar más de cuatro rieles.
La siguiente parte de este artículo analiza las soluciones de secuenciación de alta gama y sus atributos.
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Referencias externas
Texas Instruments, “Secuenciación de fuente de alimentación para FPGA”
Analog Devices, “Secuenciación de fuentes de alimentación simplificada”
Analog Devices, “Secuenciación compleja de fuentes de alimentación simplificada
Advanced Micro Devices, Inc., “Secuenciación de energía simplificada”
Pastilla Tecnología, Inc., "¿Por qué es necesaria la secuenciación de energía?"