시스템에서 여러 전력 레일의 적절한 시퀀싱은 중요한 기능이며 다양한 접근 방식을 사용하여 수행할 수 있습니다.
숙련된 설계자는 제품 작동 주기 중 가장 위험한 시기 중 하나가 전원을 켤 때라는 것을 알고 있습니다. 이 전원 공급 단계는 여러 전력 레일 각각이 지정된 시간 범위 내에서 과도 현상, 링잉 또는 오버슈팅 없이 올바른 순서로 공칭 값에 도달해야 하는 경우입니다.
순서가 올바르지 않으면 시스템이 제대로 "부팅"되지 않거나 성능이 불규칙해질 수 있습니다(그러나 재시도에서는 정상적으로 작동할 수 있음). 최악의 경우 일부 구성 요소가 손상될 수 있으며, 이는 특히 전원 장치의 위험입니다. 전원 끄기는 비슷한 타이밍 요구 사항을 가질 수 있으며 손상 위험이 있습니다. 물론 다음 번에 장치 전원을 켤 때까지 장치는 이전에 작동했던 위치에서 더 이상 작동하지 않습니다.
FPGA와 같은 고성능 IC에는 장치 코어, RAM, 내부 버퍼 및 I/O와 같은 외부 I/O를 지원하기 위해 6개 이상의 개별 DC 전원 레일이 있을 수 있습니다.2C, SPI, LVDS 및 기타 포트. 이러한 레일은 1.2V, 1.5V, 1.7V와 같이 서로 다르지만 간격이 촘촘한 공칭 값을 가질 수 있으며, 이러한 레일 중 여러 개는 공칭 값은 동일하지만 공차 또는 물리적 위치가 다를 수 있습니다. 마찬가지로 고도로 통합된 애플리케이션별 IC(예: Wi-Fi 인터넷 네트워크 노드에는 산업 표준이나 안테나 드라이버 및 해당 전력 증폭기에 대한 양극 공급 장치에서 요구하는 인터페이스 전압은 물론 내부 기능을 지원하기 위한 여러 레일이 있을 수 있습니다.
파워 레일 수는 단일 IC로 끝나지 않습니다. 이러한 레일의 수는 모터 드라이버, 전력 MOSFET/IGBT또는 이더넷이나 레거시 RS-232/422 포트와 같은 특수 통신 인터페이스도 있습니다. 결과적으로 물리적 크기에 관계없이 전체 시스템에는 독립 DC 조정기(전력 변환기라고도 함)에서 공급되는 XNUMX개 이상의 레일이 있을 수 있습니다.
설계자의 과제는 개별 온-오프 스위치 또는 이에 상응하는 소프트 스위치를 통해 기본 전원이 적용될 때 이러한 레일이 신중하게 구성된 순서에 따라 전체 최종 값까지 전력을 공급하는지 확인하는 것입니다(그림 1).
영구적인 손상이 없더라도 작동 오작동은 잘못된 시퀀싱으로 인해 용납할 수 없는 결과일 수 있습니다. 모터 제어 소프트웨어가 초기화되어 MOSFET을 제어할 준비가 되기 전에 모터 전력 MOSFET을 켜는 효과를 고려하십시오. 또한 이러한 문제가 공식적인 전원 공급 이벤트와 연관될 필요도 없습니다. 대신 "핫 스왑" 설계에 회로 카드를 삽입했기 때문에 발생할 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 전원 시퀀싱 및 타이밍을 구현하는 특수 전원 관리 IC(PMIC)를 사용할 수 있습니다. 완전한 기능의 PMIC를 통해 설계 엔지니어는 다음을 수행할 수 있습니다.
- 서로에 대해 여러 레일에 걸쳐 켜기/끄기 순서를 설정합니다.
- 필요한 경우 각 레일의 램프 업/다운 속도를 제어합니다.
- 단일 레일에 장애가 발생하면 다양한 레일을 관리합니다.
일반적으로 레일 사이의 타이밍은 절대 시간 값과 지연이 아닌 레일 전압에 의해 결정되며, 연속 레일 사이의 "켜짐" 시간은 밀리초 단위입니다. 상호 관계 지침은 "공급 A 레일이 켜진 경우에만 공급 B 레일을 켜십시오"와 같은 단순한 것부터 "A 및 B 레일이 모두 최종 전압에 있을 때만 공급 C 레일을 켜십시오"와 같이 더 복잡한 것까지 다양합니다. "on"은 애플리케이션 요구 사항에 따라 정의되며 대부분 최종 레일 전압의 90%이지만 중요한 애플리케이션에서는 최종 전압의 2% 또는 심지어 XNUMX% 이내에 도달할 수도 있습니다.
대부분의 설계에서 중요한 것은 시간 자체가 아니라 전압이지만 일부 설계에서는 타이밍을 기준으로 대체합니다. 이는 설계자가 특정 전압 레일이 원하는 값에 도달하는 데 잘 정의된 시간이 걸리고 타이밍이 전압보다 정확하게 측정하기가 훨씬 쉽다는 것을 알고 있는 경우에 가능합니다.
이러한 경우 "공급 B가 켜지면 공급 A 레일을 켜십시오"와 같은 규칙은 "A 레일이 켜진 후 50밀리초 후에 B 레일을 켜십시오"로 해석됩니다. 그러나 이 접근 방식은 공급 A의 레일이 실제로 원하는 값에 도달했는지에 대한 검증이 없기 때문에 주의해서 사용해야 합니다. "현재로서는 충분히 괜찮을 것으로 예상됩니다."
일부 PMIC는 DC/DC 조정기(LDO 및 스위칭)와 필수 시퀀싱을 모두 통합합니다. 노트북 PC(CPU, 메모리, 디스플레이, I/O 및 기타 표준 기능)와 같은 대상 애플리케이션에 최적화되어 있습니다. 이는 분명히 의도한 애플리케이션에 매우 적합하고 해당 맥락에서 고려해야 하지만, 이는 또한 설계자가 다른 애플리케이션에 대한 전압 레일 및 유형을 선택할 때 전체적인 유연성을 본질적으로 제한합니다.
전원 공급 장치 순서에 대한 요구 사항은 새로운 것이 아닙니다. 예를 들어, X선 기계나 라디오/TV 방송 송신기와 같은 특수 애플리케이션을 제외하고는 이제 IC에 의해 거의 쓸모가 없어진 진공관의 경우 이는 일반적인 요구 사항입니다. 튜브 플레이트에 "B+" 전압이 공급되기 전에 튜브의 필라멘트가 켜져서 최종 작동 온도에 도달해야 할 수도 있습니다. 이 시간 지연 범위는 1940년대와 1950년대의 전설적인 소비자용 XNUMX진공 AM 라디오의 경우 XNUMX부터 kW 범위 방송 송신기에 사용되는 진공관의 경우 수 분까지입니다.
시퀀스는 때때로 시스템 운영자가 켜기/끄기 스위치를 통해 수동으로 구현합니다. 다른 경우에는 타이머가 내장된 특수 전기 기계 릴레이가 사용됩니다. 확실히, 수동 제어나 릴레이 기반 솔루션은 오늘날 대부분의 제품, 특히 대중 시장과 일반 소비자를 대상으로 하는 제품에 실용적이거나 바람직하지 않습니다.
물리 계층에서 시작
전력 시퀀싱에 대해 논의할 때 염두에 두어야 할 두 가지 측면이 있습니다. 즉, 시퀀서에서 나오는 제어 신호와 각 DC의 해당 제어 입력입니다. 조정기.
분명히 시퀀서는 충분한 제어 출력을 가져야 하며 경우에 따라 필요한 경우 수를 확장할 수 있는 장치도 있어야 합니다. 이러한 출력은 간단한 논리 레벨 제어 신호입니다.
활성화하는 보완 DC 조정기에는 단일 핀 활성화(EN) 입력이 있어야 하거나 사용자가 조정기 출력과 조정기 출력이 구동하는 물리적 전력 레일 사이에 전자 스위치(일반적으로 MOSFET)를 추가한 다음 이 스위치를 제어해야 합니다. (그림 2).
일반적으로 간단한 로직 레벨 활성화 제어 기능이 있는 DC 레귤레이터를 선택하거나, 적절한 전류/전압 정격으로 개별 전력 레일 온/오프 MOSFET을 직접 구동할 수 있고 별도의 전원 공급이 필요하지 않은 PMIC를 선택하는 것이 좋습니다. 별도의 MOSFET 드라이버.
다른 레일이 "양호"해짐에 따라 각 레일이 직렬로 켜지는 가장 간단한 순차 시퀀싱의 경우 솔루션은 종종 간단합니다. 앞선 각 레일의 레귤레이터에 "PG(전력 양호)" 출력이 있고 다음 레귤레이터에 활성화 제어 입력이 있는 경우 PG 표시기가 EN 입력에 연결됩니다. 첫 번째 조정기가 PG에 신호를 보내면 자동으로 다음 조정기가 켜지고 일종의 "데이지 체인" 파급 효과로 계속해서 이어집니다(그림 3).
이 접근 방식은 직렬로 연결된 DC 조정기 수에 관계없이 작동하지만 장점도 한계가 있습니다. 즉, 하나의 PG가 둘 이상의 EN에 연결될 수 있더라도 순차적 패턴을 가져야 하며 유연성이 거의 없습니다. 또한 이 접근 방식은 하나의 전원이 켜지기 전에 지정된 시간 간격을 기다려야 하는 경우 타이밍을 제어할 수 없으며 켜기만큼 중요할 수 있는 끄기 순서를 처리할 수도 없습니다.
이러한 문제 중 일부를 극복하기 위해 타이머 제어 기능이 있는 재설정 IC를 전원 켜기 시퀀싱에 사용할 수 있습니다. 유서 깊은 다용도 555 타이머 IC(또는 최신 변형)는 첫 번째 레일이 공칭 창 값에 도달한 후 또는 레일이 정지된 후의 기간을 호출하여 시퀀싱을 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 기간은 555의 저항기를 사용하여 사용자가 하드웨어에서 설정하므로 펌웨어가 아닌 설계 및 BOM에 의해 설정됩니다(그림 4). 이는 우아한 접근 방식이 아닌 것처럼 보일 수 있지만 효과적인 접근 방식이며, 특히 설계가 완료되고 프로토타입 보드를 평가한 후에야 순서 문제가 가시화될 때 유용합니다(예, 그런 일이 발생합니다).
더 많은 레일이 있고 더 많은 유연성이 필요한 시스템의 경우 Analog Devices/Maxim Integrated의 MAX16029와 같은 PMIC를 커패시터를 통해 사용자가 프로그래밍한 시간 지연 기간과 함께 XNUMX개 채널에 사용할 수 있으므로 메모리 변동성 또는 시작 문제를 방지할 수 있습니다. (그림 5).
28개의 채널 각각은 서로 독립적이며 각 채널의 출력은 더 높은 범위의 DC 조정기에 필요한 최대 XNUMXV의 레일 전압을 지원하는 오픈 드레인 구성에서 사용할 수 있습니다. 이 기능을 갖춘 다른 PMIC는 커패시터나 저항기가 아닌 PMBus 인터페이스를 통해 타이밍이 설정되므로 데이지 체인으로 연결하여 XNUMX개 이상의 레일을 처리할 수 있습니다.
이 기사의 다음 부분에서는 고급 시퀀싱 솔루션과 그 특성을 살펴봅니다.
관련 EE 세계 콘텐츠
전원 IC를 설계하는 경우 고려해야 할 몇 가지 도구는 다음과 같습니다.|
프로그래밍 가능한 전원 공급 장치 선택 및 적용
장치를 통해 FPGA 전원 레일의 오류 방지 시퀀싱 가능
감시 IC로 전원 켜기 글리치 문제 해결, 1부
감시 IC로 전원 켜기 글리치 문제 해결, 2부
외부 참조
Texas Instruments, “FPGA용 전원 공급 장치 시퀀싱”
Analog Devices, “간소화된 전원 공급 장치 시퀀싱”
Analog Devices, “복잡한 전원 공급 장치 시퀀싱이 쉬워졌습니다.
Advanced Micro Devices, Inc., “단순화된 전력 시퀀싱”
마이크로 칩 Technology, Inc., “전력 시퀀싱이 필요한 이유는 무엇입니까?”