Trình tự thích hợp của nhiều đường ray điện trong hệ thống là một chức năng quan trọng và có thể được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau.
Các nhà thiết kế giàu kinh nghiệm biết rằng một trong những giai đoạn rủi ro nhất trong chu kỳ vận hành của sản phẩm là khi bật nguồn. Giai đoạn khởi động nguồn này là khi mỗi đường ray trong số nhiều đường ray nguồn phải đạt đến giá trị danh định theo đúng thứ tự, trong khoảng thời gian được chỉ định và không có hiện tượng chuyển tiếp, đổ chuông hoặc vượt mức.
Nếu trình tự không chính xác, trong trường hợp tốt nhất, hệ thống sẽ không “khởi động” đúng cách hoặc hiệu suất của nó sẽ thất thường (và vẫn có thể hoạt động tốt khi thử lại); trong trường hợp xấu nhất, một số bộ phận sẽ bị hỏng, điều này đặc biệt nguy hiểm với các thiết bị nguồn. Lưu ý rằng việc tắt nguồn có thể có các yêu cầu về thời gian tương tự, kèm theo nguy cơ hư hỏng - tất nhiên là cho đến lần tiếp theo thiết bị được bật nguồn và thiết bị không còn hoạt động như trước đây nữa.
Một IC hiệu suất cao như FPGA có thể có nửa tá đường nguồn DC riêng biệt trở lên để hỗ trợ lõi thiết bị, RAM, bộ đệm bên trong và I/O bên ngoài như I2C, SPI, LVDS và các cổng khác. Các đường ray này có thể có các giá trị danh nghĩa khác nhau nhưng có khoảng cách gần nhau, chẳng hạn như 1.2 V, 1.5 V và 1.7 V hoặc một số đường ray này có thể có cùng giá trị danh nghĩa nhưng có dung sai hoặc vị trí vật lý khác nhau. Tương tự như vậy, một IC dành riêng cho ứng dụng có tính tích hợp cao như Wi-Fi nút mạng có thể có nhiều đường ray để hỗ trợ các chức năng bên trong cũng như điện áp giao diện theo yêu cầu của tiêu chuẩn ngành hoặc nguồn cung cấp lưỡng cực cho trình điều khiển ăng-ten và bộ khuếch đại công suất của nó.
Số lượng đường ray điện không kết thúc với IC đơn lẻ đó. Số lượng đường ray như vậy thường sẽ tăng hơn nữa với hệ thống hoàn chỉnh, có thể có trình điều khiển động cơ, MOSFET điện/IGBTs hoặc các giao diện truyền thông đặc biệt như Ethernet hoặc thậm chí các cổng RS-232/422 cũ. Kết quả là, bất kể kích thước vật lý, hệ thống hoàn chỉnh có thể có mười đường ray trở lên được cung cấp bởi bộ điều chỉnh DC độc lập (còn gọi là bộ chuyển đổi nguồn).
Thử thách của nhà thiết kế là đảm bảo rằng khi cấp nguồn sơ cấp – cho dù thông qua công tắc bật-tắt riêng biệt hay công tắc mềm tương đương – các đường ray này cấp nguồn đến giá trị cuối cùng đầy đủ theo trình tự được dàn dựng cẩn thận (Hình 1).
Ngay cả khi không có hư hỏng vĩnh viễn, trục trặc trong vận hành có thể là hậu quả không thể chấp nhận được của việc sắp xếp trình tự không chính xác: hãy xem xét tác động của việc bật MOSFET công suất động cơ trước khi khởi chạy phần mềm điều khiển động cơ và sẵn sàng điều khiển các MOSFET đó. Những vấn đề này cũng không nhất thiết phải liên quan đến một sự kiện tăng sức mạnh chính thức; thay vào đó, chúng có thể là do việc chèn các thẻ mạch vào trong các thiết kế “trao đổi nóng”.
Để giải quyết những vấn đề này, hiện có sẵn các IC quản lý nguồn chuyên dụng (PMIC) để thực hiện sắp xếp thứ tự nguồn và định thời gian. PMIC đầy đủ chức năng cho phép kỹ sư thiết kế:
- thiết lập trình tự bật/tắt trên nhiều đường ray tương ứng với nhau.
- kiểm soát tốc độ tăng/giảm tốc độ của từng đường ray, nếu cần.
- quản lý các đường ray khác nhau nếu có bất kỳ đường ray nào bị hỏng.
Nói chung, thời gian giữa các đường ray được xác định bởi điện áp đường ray chứ không phải là giá trị thời gian tuyệt đối và độ trễ, đồng thời khoảng thời gian giữa các đường ray liên tiếp được “bật” theo thứ tự mili giây. Các nguyên tắc về mối quan hệ tương tác có thể từ đơn giản, chẳng hạn như “chỉ bật đường ray cung cấp B khi đường ray nguồn A bật” hoặc phức tạp hơn, chẳng hạn như “chỉ bật đường ray cung cấp C khi cả hai đường ray A và B đều ở điện áp cuối cùng”. Lưu ý rằng “bật” được xác định theo yêu cầu ứng dụng và thường là 90% điện áp cuối cùng của đường ray, nhưng trong các ứng dụng quan trọng, nó có thể đạt được trong vòng 2 hoặc thậm chí XNUMX% điện áp cuối cùng.
Mặc dù trong hầu hết các thiết kế, điện áp mới là quan trọng chứ không phải thời gian, một số thiết kế thay thế thời gian làm tiêu chí thay thế. Điều này có thể thực hiện được nếu người thiết kế biết rằng một đường ray điện áp cụ thể cần có thời gian xác định rõ ràng để đạt được giá trị mong muốn và thời gian dễ đo chính xác hơn nhiều so với điện áp.
Trong những trường hợp này, một quy tắc như “bật đường ray cung cấp A khi nguồn cung cấp B bật” được dịch thành “bật đường ray của B trong 50 mili giây sau khi đường ray của A được bật”. Tuy nhiên, cách tiếp cận này phải được sử dụng một cách thận trọng vì không có xác minh nào cho thấy đường ray của nguồn cung A thực sự đạt đến giá trị mong muốn, ngoài việc “nó được cho là đủ ổn vào thời điểm này”.
Một số PMIC tích hợp cả bộ điều chỉnh DC/DC (LDO và chuyển mạch) cùng với trình tự cần thiết. Chúng được tối ưu hóa cho ứng dụng mục tiêu như máy tính xách tay (CPU, bộ nhớ, màn hình, I/O và các chức năng tiêu chuẩn khác). Mặc dù những điều này rõ ràng là rất phù hợp với ứng dụng dự định và cần được xem xét trong bối cảnh đó, nhưng chúng cũng hạn chế tính linh hoạt tổng thể trong việc lựa chọn đường ray và loại điện áp của người thiết kế cho các ứng dụng khác.
Yêu cầu sắp xếp thứ tự các nguồn cung cấp điện không phải là mới. Ví dụ, đối với ống chân không – hiện nay phần lớn đã lỗi thời bởi IC ngoại trừ các ứng dụng chuyên dụng như máy chụp X-quang hoặc máy phát sóng radio/TV – đó là một yêu cầu chung. Dây tóc của ống có thể phải được bật và ở nhiệt độ vận hành cuối cùng trước khi tấm ống có thể được cấp điện bằng điện áp “B+” của nó. Độ trễ thời gian này dao động từ 1940 đối với đài AM 1950 ống tiêu dùng huyền thoại của những năm XNUMX và XNUMX, đến nhiều phút đối với các ống được sử dụng trong các máy phát sóng dải kW.
Trình tự này đôi khi được người vận hành hệ thống thực hiện thủ công thông qua các công tắc bật/tắt; trong các trường hợp khác, sử dụng rơle cơ điện đặc biệt có bộ hẹn giờ tích hợp. Chắc chắn, cả giải pháp điều khiển thủ công lẫn giải pháp dựa trên rơ-le đều không thực tế hoặc được mong muốn đối với hầu hết các sản phẩm ngày nay, đặc biệt là những sản phẩm nhắm đến thị trường đại chúng và người tiêu dùng bình thường.
Bắt đầu ở lớp vật lý
Trong bất kỳ cuộc thảo luận nào về trình tự nguồn, có hai khía cạnh cần lưu ý: tín hiệu điều khiển đến từ bộ sắp xếp chuỗi và đầu vào điều khiển tương ứng ở mỗi DC. điều chỉnh.
Rõ ràng, bộ sắp xếp thứ tự phải có đủ đầu ra điều khiển và trong một số trường hợp cũng có một số điều khoản để mở rộng số lượng nếu cần. Những đầu ra này là những tín hiệu điều khiển ở mức logic đơn giản.
Các bộ điều chỉnh DC bổ sung mà chúng đang kích hoạt phải có một đầu vào kích hoạt một chân (EN) hoặc người dùng phải thêm một công tắc điện tử (thường là MOSFET) giữa đầu ra của bộ điều chỉnh và đường ray nguồn vật lý mà nó điều khiển, sau đó điều khiển công tắc này (Hình 2).
Nói chung, tốt hơn là nên chọn bộ điều chỉnh DC có điều khiển Cho phép đơn giản, ở mức logic, nếu có hoặc chọn PMIC, có thể điều khiển trực tiếp bật/tắt MOSFET đường ray nguồn riêng biệt với định mức dòng điện/điện áp phù hợp và không cần bộ điều khiển trình điều khiển MOSFET riêng biệt.
Trong trường hợp đơn giản nhất của trình tự tuần tự, trong đó mỗi đường ray được bật nối tiếp khi một đường ray khác trở nên “tốt”, giải pháp thường đơn giản. Nếu mỗi bộ điều chỉnh của đường ray trước có đầu ra “nguồn điện” (PG) và bộ điều chỉnh tiếp theo có đầu vào điều khiển Bật, thì chỉ báo PG được kết nối với đầu vào EN. Khi bộ điều chỉnh đầu tiên phát tín hiệu PG, nó sẽ tự động bật bộ điều chỉnh tiếp theo, v.v. tiếp tục như vậy dưới dạng hiệu ứng gợn sóng “chuỗi hoa cúc” (Hình 3).
Cách tiếp cận này sẽ hiệu quả với bất kỳ bộ điều chỉnh DC nào nối tiếp, nhưng ưu điểm đó cũng là hạn chế của nó: chúng phải có mẫu tuần tự (mặc dù một PG có thể được kết nối với nhiều EN) và có rất ít tính linh hoạt. Ngoài ra, phương pháp này không thể kiểm soát thời gian khi một nguồn cung cấp phải đợi một khoảng thời gian xác định trước khi bật và không thể giải quyết trình tự tắt, điều này có thể cũng quan trọng như bật.
Để khắc phục một số vấn đề này, có thể sử dụng IC đặt lại có điều khiển hẹn giờ để thực hiện trình tự bật nguồn. IC hẹn giờ 555 linh hoạt và đáng kính (hoặc biến thể mới hơn) có thể được sử dụng để điều khiển trình tự bằng cách gọi một khoảng thời gian sau khi đường ray đầu tiên đạt đến giá trị cửa sổ danh nghĩa hoặc sau khi đường ray tắt. Khoảng thời gian được người dùng đặt trong phần cứng bằng điện trở với 555, do đó, nó được thiết lập theo thiết kế và BOM, không phải phần sụn (Hình 4). Mặc dù đây có vẻ không phải là một cách tiếp cận tao nhã nhưng nó là một cách tiếp cận hiệu quả, đặc biệt hữu ích khi vấn đề trình tự chỉ hiển thị sau khi thiết kế hoàn tất và bảng nguyên mẫu đang được đánh giá (vâng, điều đó xảy ra).
Đối với các hệ thống có nhiều đường ray hơn và cần linh hoạt hơn, có thể sử dụng PMIC như MAX16029 của Analog Devices/Maxim Integrated cho bốn kênh, với khoảng thời gian trễ do người dùng lập trình thông qua tụ điện, do đó tránh được biến động bộ nhớ hoặc các vấn đề khởi động (Hình 5).
Mỗi kênh trong số bốn kênh đều độc lập với các kênh khác và đầu ra của mỗi kênh có thể được sử dụng trong cấu hình thoát nước mở hỗ trợ điện áp đường ray lên đến 28 V, cần thiết cho các bộ điều chỉnh DC phạm vi cao hơn. Các PMIC khác có chức năng này được đặt thời gian thông qua giao diện PMBus thay vì tụ điện hoặc điện trở và do đó có thể được nối chuỗi để xử lý nhiều hơn bốn đường ray.
Phần tiếp theo của bài viết này xem xét các giải pháp giải trình tự cao cấp hơn và các thuộc tính của chúng.
Nội dung thế giới EE liên quan
Nếu bạn đang thiết kế IC nguồn, đây là một số công cụ cần cân nhắc|
Lựa chọn và áp dụng các bộ nguồn có thể lập trình
Thiết bị cho phép sắp xếp trình tự chống lỗi của các đường ray nguồn FPGA
IC giám sát khắc phục tình trạng đau đầu khi khởi động nguồn, Phần 1
IC giám sát khắc phục tình trạng đau đầu khi khởi động nguồn, Phần 2
Tài liệu tham khảo bên ngoài
Texas Instruments, “Trình tự cấp nguồn cho FPGA”
Thiết bị analog, “Trình tự cung cấp điện được đơn giản hóa”
Thiết bị analog, “Trình tự cung cấp điện phức tạp được thực hiện dễ dàng
Advanced Micro Devices, Inc., “Trình tự nguồn đơn giản hóa”
Vi mạch Công nghệ, Inc., “Tại sao cần phải sắp xếp trình tự nguồn?”