רצף נכון של מסילות החשמל המרובות במערכת היא פונקציה קריטית וניתן להשיגה באמצעות גישות שונות.
מעצבים מנוסים יודעים שאחת התקופות המסוכנות ביותר במחזור הפעולה של מוצר היא כאשר הכוח מופעל. שלב ההדלקה הזה הוא כאשר כל אחת ממסילות החשמל המרובות חייבת להגיע לערכה הנומינלי בסדר הנכון, בתוך חלון זמן ייעודי, וללא מעברי חלוף, צלצולים או חריגה.
אם הרצף אינו נכון, במקרה הטוב, המערכת לא "תאתחל" כראוי, או שהביצועים שלה יהיו לא יציבים (ועם זאת עשויים לעבוד מצוין בניסיון חוזר); במקרה הגרוע, חלק מהרכיבים יפגעו, וזה סיכון במיוחד עם התקני חשמל. שימו לב שלכיבוי הפעלה עשויים להיות מנדטים דומים לתזמון, עם סיכון לנזק - עד לפעם הבאה שהיחידה תופעל, כמובן, והיחידה כבר לא תעבוד במקום שבו פעלה בעבר.
IC בעל ביצועים גבוהים כגון FPGA עשוי לכלול חצי תריסר או יותר מסילות מתח DC נפרדות לתמיכה בליבת המכשיר, זיכרון RAM, חוצצים פנימיים ו-I/O חיצוניים כגון I2C, SPI, LVDS ויציאות אחרות. למסילות אלו עשויות להיות ערכים נומינליים שונים אך מרווחים קרובים כגון 1.2 וולט, 1.5 וולט ו-1.7 וולט, או למספר מסילות אלו עשוי להיות אותו ערך נומינלי אך עם סובלנות או מיקומים פיזיים שונים. באופן דומה, IC משולב מאוד, ספציפי ליישום, כגון א Wi-Fi לצומת הרשת עשויים להיות מסילות מרובות כדי לתמוך בפונקציות פנימיות, כמו גם במתחי ממשק הנדרשים על פי תקן תעשייתי או אספקה דו-קוטבית לדרייבר האנטנה ולמגבר הכוח שלו.
ספירת מסילות החשמל לא מסתיימת עם ה-IC הבודד הזה. מספר המסילות הללו יגדל לעתים קרובות יותר עם המערכת השלמה, שעשויה לכלול נהגי מנוע, MOSFETs/IGBTs, או ממשקי תקשורת מיוחדים כגון Ethernet או אפילו יציאות RS-232/422 מדור קודם. כתוצאה מכך, ללא קשר לגודל הפיזי, למערכת השלמה עשויות להיות עשר מסילות או יותר שמקורן בווסת DC עצמאית (הנקראים גם ממירי הספק).
האתגר של המעצב הוא להבטיח שכאשר מופעל כוח ראשוני - בין אם באמצעות מתג הדלקה-כיבוי נפרד או מקבילה של מתג רך - המסילות הללו מתגברות עד לערכן הסופי המלא ברצף כוריאוגרפי קפדני (איור 1).
גם אם אין נזק קבוע, תקלות תפעוליות עלולות להיות תוצאה בלתי מתקבלת על הדעת של רצף שגוי: שקול את ההשפעה של הפעלת ה-MOSFETs עם כוח המנוע לפני שתוכנת בקרת המנוע מאותחלת ומוכנה לשלוט באותם MOSFETs. גם בעיות אלו אינן חייבות להיות קשורות לאירוע הפעלה רשמי; במקום זאת, הם יכולים לנבוע מהכנסת כרטיסי מעגל בעיצובים של "החלפה חמה".
כדי להתמודד עם בעיות אלו, זמינים ICs מיוחדים לניהול הספק (PMIC) המיישמים רצף כוח ותזמון. PMIC בתפקוד מלא מאפשר למהנדס התכנון:
- ליצור רצף הפעלה/כיבוי על פני מסילות מרובות ביחס זו לזו.
- לשלוט בקצב העלייה/ירידה של כל מסילה, במידת הצורך.
- לנהל את המסילות השונות אם מסילה אחת נכשלת.
בדרך כלל, התזמון בין המסילות נקבע על ידי מתחי המסילה ולא ערכי זמן מוחלטים ופיגורים, ותקופת הזמן בין המסילות העוקבות להיות "מופעלות" הוא בסדר גודל של אלפיות שניות. הנחיות הקשר ההדדיות נעות בין פשוטות, כגון "הפעל את מסילת אספקה B רק כאשר מסילת אספקה A פועלת", או מסובכים יותר, כגון "הפעל את מסילת אספקה C רק כאשר מסילות A ו-B הן במתח סופי". שימו לב ש"פועל" מוגדר על ידי דרישות היישום והוא לרוב 90% ממתח המסילה הסופי, אך ביישומים קריטיים, ניתן להגיע אליו בתוך חמישה או אפילו 2% מהמתח הסופי.
למרות שברוב העיצובים זה המתח שהוא קריטי, לא הזמן עצמו, עיצובים מסוימים מחליפים תזמון כקריטריונים במקום. זה אפשרי אם המתכנן יודע שלמסילת מתח ספציפית לוקח זמן מוגדר היטב להגיע לערך הרצוי, והתזמון קל הרבה יותר למדוד במדויק מאשר מתח.
במקרים אלה, כלל כגון "הפעל את מסילת אספקה A ברגע שהספק B פועל" מתורגם ל"הפעל את המסילה של B ב-50 אלפיות השנייה לאחר הפעלת המסילה של A". עם זאת, יש להשתמש בגישה זו בזהירות מכיוון שאין אימות שהמסילה של אספקה A אכן הגיעה לערך הרצוי, מלבד "זה אמור להיות בסדר-מספיק בשלב זה".
חלק מה-PMICs משלבים את שני הרגולטורים DC/DC (LDO ומיתוג) בתוספת הרצף הנדרש. הם מותאמים ליישום יעד כגון מחשבים ניידים (מעבד, זיכרון, תצוגה, קלט/פלט ופונקציות סטנדרטיות אחרות). למרות שכמובן אלה מתאימים היטב ליישום המיועד ויש לשקול אותם בהקשר זה, הם גם מגבילים מטבעם את הגמישות הכוללת בבחירתו של המתכנן של מסילות מתח וסוגים עבור יישומים אחרים.
הדרישה לרצף ספקי כוח אינה חדשה. לדוגמה, עבור צינורות ואקום - כיום מיושנים ברובם על ידי IC למעט יישומים מיוחדים כגון מכונות רנטגן או משדרי שידורי רדיו/טלוויזיה - זוהי דרישה נפוצה. ייתכן שיהיה צורך להפעיל את חוט הצינור ובטמפרטורת הפעולה הסופית לפני שניתן יהיה להפעיל את לוחית הצינור על ידי מתח ה-B+ שלו. עיכוב זמן זה נע בין אפס עבור רדיו AM אגדי של חמש צינורות AM של שנות ה-1940 וה-1950, לדקות רבות עבור צינורות המשמשים במשדרי שידור בטווח קילוואט.
הרצף מיושם לעתים באופן ידני על ידי מפעיל המערכת באמצעות מתגי הפעלה/כיבוי; במקרים אחרים, נעשה שימוש בממסר אלקטרומכני מיוחד עם טיימר מובנה. אין ספק, לא בקרה ידנית ולא פתרון מבוסס ממסר הם מעשיים או רצויים עבור רוב המוצרים של היום, במיוחד אלה המכוונים לשווקים המוניים ולצרכנים ממוצעים.
התחל בשכבה הפיזית
בכל דיון על רצף כוח, יש לזכור שני היבטים: אות הבקרה המגיע מהרצף וכניסת הבקרה המתאימה בכל DC וסת.
ברור שלסיקוונסר חייב להיות מספיק יציאות בקרה, ובמקרים מסוימים, יש גם אפשרות להרחבת המספר במידת הצורך. יציאות אלו הן אותות בקרה פשוטים ברמה הלוגית.
הרגולטורים המשלימים DC שהם מאפשרים חייבים להיות בעלי כניסת הפעלת פין יחיד (EN), או שהמשתמש חייב להוסיף מתג אלקטרוני (בדרך כלל MOSFET) בין מוצא הרגולטור למסילת החשמל הפיזית שהוא מניע, ולאחר מכן לשלוט במתג זה (איור 2).
בדרך כלל עדיף לבחור בווסת DC שיש לו בקרת Enable פשוט ברמה לוגית, אם קיימת, או לבחור ב-PMIC, שיכולה להניע ישירות את מסילת החשמל הדיסקרטית להפעלה/כיבוי של MOSFET עם דירוג זרם/מתח מתאים ואינו זקוק ל- מנהל התקן MOSFET נפרד.
במקרה הפשוט ביותר של רצף רצף, שבו כל מסילה מופעלת בסדרה כשמסילה אחרת הופכת ל"טובה", הפתרון לרוב פשוט. אם לכל ווסת מסילה קודמת יש יציאת "הספק טוב" (PG) ולווסת הבא יש כניסת Enable control, מחוון PG מחובר לכניסת EN. כאשר הרגולטור הראשון מאותת ל-PG, הוא מופעל אוטומטית את הבא, וכך הלאה בהמשך הקו כמעין אפקט אדוות של "שרשרת דייזי" (איור 3).
גישה זו תעבוד עבור כל מספר של ווסתי DC בסדרות, אבל המעלות הזו היא גם הגבול שלה: הם חייבים להיות בעלי תבנית רציפה (אם כי PG אחד יכול להיות מחובר ליותר מ-EN אחד), ויש גמישות מועטה. כמו כן, גישה זו אינה יכולה לשלוט בתזמון כאשר אספקה אחת חייבת להמתין מרווח זמן מוגדר לפני ההפעלה, והיא אינה יכולה לטפל ברצף כיבוי, אשר עשוי להיות חשוב כמו הדלקה.
כדי להתגבר על חלק מהבעיות הללו, ניתן להשתמש ב-IC איפוס עם בקרת טיימר לרצף הפעלה. ניתן להשתמש ב-555 טיימר IC המכובד והרב-תכליתי (או גרסה חדשה יותר) כדי לשלוט ברצף על ידי הפעלת פרק זמן לאחר שהמסילה הראשונה מגיעה לערך החלון הנומינלי או לאחר כיבוי של מסילה. פרק הזמן מוגדר בחומרה על ידי המשתמש באמצעות נגדים עם 555, כך שהוא נקבע על ידי עיצוב ו-BOM, לא קושחה (איור 4). למרות שזו לא נראית גישה אלגנטית, היא יעילה, שימושית במיוחד כאשר בעיית רצף הופכת גלויה רק לאחר ביצוע העיצוב ובדיקת לוחות אב טיפוס (כן, זה קורה).
עבור מערכות עם יותר מסילות וצריכות יותר גמישות, PMIC כגון MAX16029 מבית Analog Devices/Maxim Integrated יכול לשמש עבור ארבעה ערוצים, כאשר תקופת השהיה מתוכנתת על ידי המשתמש באמצעות קבלים, ובכך למנוע תנודתיות בזיכרון או בעיות הפעלה (איור 5).
כל אחד מארבעת הערוצים אינו תלוי באחרים, וניתן להשתמש בפלט של כל ערוץ בתצורת ניקוז פתוח התומכת במתחי מסילה של עד 28V, הדרושים לווסת DC בטווח גבוה יותר. ל-PMICs אחרים עם פונקציונליות זו מוגדר התזמון שלהם באמצעות ממשק PMBus ולא קבלים או נגדים, ולכן ניתן לשרשר אותם על מנת להתמודד עם יותר מארבע מסילות.
החלק הבא של מאמר זה מסתכל על פתרונות רצף מתקדמים יותר והתכונות שלהם.
תוכן EE World קשור
אם אתה מעצב ICs כוח, הנה כמה כלים לשקול|
בחירה והחלה של ספקי כוח הניתנים לתכנות
התקן מאפשר רצף חסין תקלות של מסילות חשמל FPGA
IC פיקוח מאלף כאבי ראש של תקלות הפעלה, חלק 1
IC פיקוח מאלף כאבי ראש של תקלות הפעלה, חלק 2
הפניות חיצוניות
Texas Instruments, "רצף אספקת חשמל עבור FPGAs"
התקנים אנלוגיים, "ריצוף אספקת חשמל פשוט יותר"
התקנים אנלוגיים, "רצף אספקת כוח מורכב בקלות
Advanced Micro Devices, Inc., "Simplified Power Sequencing"
שבב טכנולוגיה, Inc., "מדוע יש צורך ברצף כוח?"