Een juiste volgorde van de meerdere stroomrails in een systeem is een cruciale functie en kan op verschillende manieren worden bereikt.
Ervaren ontwerpers weten dat een van de meest risicovolle perioden in de werkingscyclus van een product het moment is waarop de stroom wordt ingeschakeld. Deze opstartfase vindt plaats wanneer elk van de meerdere stroomrails in de juiste volgorde zijn nominale waarde moet bereiken, binnen een bepaald tijdvenster, en zonder transiënten, rinkelen of doorschieten.
Als de volgorde niet correct is, zal het systeem in het beste geval niet goed ‘opstarten’, of zullen de prestaties onregelmatig zijn (en toch prima werken bij een nieuwe poging); in het ergste geval zullen sommige componenten beschadigen, wat vooral een risico is bij elektrische apparaten. Houd er rekening mee dat het uitschakelen soortgelijke timingsmandaten kan hebben, met het risico op schade – tot de volgende keer dat het apparaat wordt ingeschakeld uiteraard, en het apparaat niet meer werkt waar het voorheen werkte.
Een krachtig IC zoals een FPGA kan een zestal of meer afzonderlijke DC-stroomrails hebben ter ondersteuning van de apparaatkern, RAM, interne buffers en externe I/O zoals I2C, SPI, LVDS en andere poorten. Deze rails kunnen verschillende maar dicht bij elkaar gelegen nominale waarden hebben, zoals 1.2 V, 1.5 V en 1.7 V, of meerdere van deze rails kunnen dezelfde nominale waarde hebben, maar met verschillende toleranties of fysieke locaties. Op dezelfde manier kan een sterk geïntegreerd, toepassingsspecifiek IC zoals een Wi-Fi Het netwerkknooppunt kan meerdere rails hebben om interne functies te ondersteunen, evenals interfacespanningen die vereist zijn door een industriestandaard of een bipolaire voeding voor de antennedriver en zijn eindversterker.
Het aantal powerrails eindigt niet bij dat ene IC. Het aantal van dergelijke rails zal vaak verder toenemen met het complete systeem, dat mogelijk motordrivers, stroom-MOSFET's/IGBTs, of speciale communicatie-interfaces zoals Ethernet of zelfs oudere RS-232/422-poorten. Als gevolg hiervan kan het volledige systeem, ongeacht de fysieke grootte, tien of meer rails hebben die worden gevoed door onafhankelijke DC-regelaars (ook wel stroomconverters genoemd).
De uitdaging van de ontwerper is ervoor te zorgen dat wanneer primaire stroom wordt toegepast – via een discrete aan-uitschakelaar of een equivalent met zachte schakelaar – deze rails hun volledige, uiteindelijke waarde bereiken in een zorgvuldig gechoreografeerde volgorde (Figuur 1).
Zelfs als er geen permanente schade is, kunnen operationele storingen een onaanvaardbaar gevolg zijn van een onjuiste sequentiëring: denk eens na over het effect van het inschakelen van de MOSFET's met motorvermogen voordat de motorbesturingssoftware is geïnitialiseerd en gereed is om die MOSFET's te besturen. Deze problemen hoeven ook niet in verband te worden gebracht met een formele power-upgebeurtenis; in plaats daarvan kunnen ze te wijten zijn aan het plaatsen van printkaarten in "hot swap" -ontwerpen.
Om deze problemen aan te pakken, zijn er gespecialiseerde energiebeheer-IC's (PMIC's) beschikbaar die stroomsequencing en -timing implementeren. Met een volledig functionele PMIC kan de ontwerpingenieur:
- stel in- en uitschakelvolgorde in over meerdere rails ten opzichte van elkaar.
- controleer indien nodig de op- en neerwaartse snelheid van elke rail.
- beheer de verschillende rails als een enkele rail uitvalt.
Over het algemeen wordt de timing tussen rails bepaald door railspanningen in plaats van door absolute tijdswaarden en vertragingen, en de tijdsperiode tussen het "inschakelen" van de opeenvolgende rails ligt in de orde van milliseconden. De richtlijnen voor onderlinge relaties variëren van eenvoudig, zoals ‘zet voeding B-rail alleen aan als voeding A-rail is ingeschakeld’, of ingewikkelder, zoals ‘zet voeding C-rail alleen aan als zowel A- als B-rails op eindspanning staan’. Houd er rekening mee dat “aan” wordt gedefinieerd door de toepassingsvereisten en meestal 90% van de uiteindelijke railspanning bedraagt, maar in kritische toepassingen kan deze binnen vijf of zelfs 2% van de eindspanning worden bereikt.
Ook al is bij de meeste ontwerpen de spanning van cruciaal belang en niet de tijd zelf, toch vervangen sommige ontwerpen de timing als criterium. Dit is mogelijk als de ontwerper weet dat een specifieke spanningsrail een goed gedefinieerde tijd nodig heeft om de gewenste waarde te bereiken, en dat timing veel gemakkelijker nauwkeurig te meten is dan spanning.
In deze gevallen wordt een regel zoals “zet rail van voeding A aan zodra voeding B is ingeschakeld” vertaald in “zet rail van B aan 50 milliseconden nadat rail van A is ingeschakeld.” Deze aanpak moet echter met voorzichtigheid worden toegepast, aangezien er geen verificatie is dat de rail van aanbod A daadwerkelijk de gewenste waarde heeft bereikt, behalve dat het op dit moment voldoende zou moeten zijn.
Sommige PMIC's integreren zowel de DC/DC-regelaars (LDO en schakelen) als de vereiste sequencing. Ze zijn geoptimaliseerd voor een doeltoepassing zoals notebook-pc's (CPU, geheugen, display, I/O en andere standaardfuncties). Hoewel deze uiteraard zeer geschikt zijn voor de beoogde toepassing en in die context moeten worden overwogen, beperken ze inherent ook de algehele flexibiliteit bij de keuze van de ontwerper voor spanningsrails en typen voor andere toepassingen.
De eis om voedingen in volgorde te plaatsen is niet nieuw. Voor vacuümbuizen – die nu grotendeels achterhaald zijn door IC's, met uitzondering van gespecialiseerde toepassingen zoals röntgenapparatuur of radio-/tv-zenders – is dit bijvoorbeeld een algemene vereiste. Mogelijk moet de gloeidraad van de buis worden ingeschakeld en op de uiteindelijke bedrijfstemperatuur zijn voordat de plaat van de buis kan worden bekrachtigd door de “B+”-spanning. Deze tijdsvertraging varieert van nul voor de legendarische AM-radio met vijf buizen uit de jaren 1940 en 1950, tot vele minuten voor buizen die worden gebruikt in omroepzenders met een kW-bereik.
De volgorde wordt soms handmatig door de systeembeheerder geïmplementeerd via aan/uit-schakelaars; in andere gevallen wordt een speciaal elektromechanisch relais met ingebouwde timer gebruikt. Zeker, noch een handmatige bediening, noch een op relais gebaseerde oplossing is praktisch of wenselijk voor de meeste hedendaagse producten, vooral voor de producten die zich richten op de massamarkten en de gemiddelde consument.
Begin bij de fysieke laag
Bij elke discussie over vermogenssequencing zijn er twee aspecten waarmee u rekening moet houden: het stuursignaal dat uit de sequencer komt en de overeenkomstige stuuringang op elke DC-ingang. regelaar.
Het is duidelijk dat de sequencer voldoende besturingsuitgangen moet hebben en, in sommige gevallen, ook enige voorziening moet hebben voor uitbreiding van het aantal indien nodig. Deze uitgangen zijn eenvoudige stuursignalen op logisch niveau.
De complementaire DC-regelaars die ze inschakelen, moeten ofwel een EN-ingang (Enkele Pin Enable) hebben, of de gebruiker moet een elektronische schakelaar (meestal een MOSFET) toevoegen tussen de uitgang van de regelaar en de fysieke stroomrail die deze aandrijft, en vervolgens deze schakelaar bedienen. (Figuur 2).
Het verdient over het algemeen de voorkeur om een DC-regelaar te kiezen die een eenvoudige Enable-regeling op logisch niveau heeft, indien beschikbaar, of om PMIC te selecteren, die de discrete stroomrail aan/uit-MOSFET rechtstreeks kan aansturen met geschikte stroom-/spanningswaarden en geen extra voeding nodig heeft. aparte MOSFET-driver.
In het eenvoudigste geval van sequentiële sequencing, waarbij elke rail in serie wordt ingeschakeld terwijl een andere rail “goed” wordt, is de oplossing vaak eenvoudig. Als de regelaar van elke voorafgaande rail een “power good” (PG)-uitgang heeft en de volgende regelaar een Enable-besturingsingang heeft, is de PG-indicator verbonden met de EN-ingang. Wanneer de eerste regelaar een PG signaleert, schakelt deze automatisch de volgende in, enzovoort, als een soort ‘daisy chain’-rimpeleffect (Figuur 3).
Deze aanpak zal werken voor een willekeurig aantal DC-regelaars in serie, maar die deugd is ook de limiet: ze moeten een sequentieel patroon hebben (hoewel één PG op meer dan één EN kan worden aangesloten), en er is weinig flexibiliteit. Ook kan deze aanpak de timing niet controleren wanneer een voeding een gespecificeerd tijdsinterval moet wachten voordat deze wordt ingeschakeld, en kan deze benadering niet ingaan op de uitschakelvolgorde, die net zo belangrijk kan zijn als het inschakelen.
Om een aantal van deze problemen te verhelpen, kan een reset-IC met timerbesturing worden gebruikt voor het opstarten. Het eerbiedwaardige en veelzijdige 555 timer-IC (of nieuwere variant) kan worden gebruikt om de sequencing te regelen door een tijdsperiode op te roepen nadat de eerste rail de nominale vensterwaarde heeft bereikt of nadat een rail is uitgeschakeld. De tijdsperiode wordt hardwarematig ingesteld door de gebruiker met behulp van weerstanden bij de 555, dus deze wordt bepaald door het ontwerp en de stuklijst, niet door de firmware (Figuur 4). Hoewel dit misschien geen elegante aanpak lijkt, is het wel een effectieve, vooral nuttig als een sequentieprobleem pas zichtbaar wordt nadat het ontwerp is voltooid en de prototypeborden zijn geëvalueerd (ja, dat gebeurt).
Voor systemen met meer rails en die meer flexibiliteit nodig hebben, kan een PMIC zoals de MAX16029 van Analog Devices/Maxim Integrated worden gebruikt voor vier kanalen, waarbij de vertragingsperiode door de gebruiker wordt geprogrammeerd via condensatoren, waardoor geheugenvolatiliteit of opstartproblemen worden vermeden (Figuur 5).
Elk van de vier kanalen is onafhankelijk van de andere, en de uitgang van elk kanaal kan worden gebruikt in een open-drain-configuratie die railspanningen tot 28 V ondersteunt, die nodig zijn voor DC-regelaars met een hoger bereik. Bij andere PMIC's met deze functionaliteit wordt de timing ingesteld via een PMBus-interface in plaats van condensatoren of weerstanden, en kunnen ze dus in serie worden geschakeld om meer dan vier rails te kunnen verwerken.
In het volgende deel van dit artikel wordt gekeken naar hoogwaardige sequencing-oplossingen en hun kenmerken.
Gerelateerde EE World-inhoud
Als u stroom-IC's ontwerpt, zijn hier enkele hulpmiddelen waarmee u rekening kunt houden|
Programmeerbare voedingen selecteren en toepassen
Apparaat maakt foutbestendige sequencing van FPGA-stroomrails mogelijk
Toezichthoudende IC's temmen power-up glitch-hoofdpijn, deel 1
Toezichthoudende IC's temmen power-up glitch-hoofdpijn, deel 2
Externe referenties
Texas Instruments, “Voedingssequencing voor FPGA’s”
Analoge apparaten, “Voedingsvolgorde vereenvoudigd”
Analoge apparaten, “Complexe stroomvoorzieningssequentie eenvoudig gemaakt
Advanced Micro Devices, Inc., “Vereenvoudigde stroomsequencing”
Microchip Technologie, Inc., “Waarom is stroomsequencing nodig?”