Forstå og bruk overvåkingskomponenter for å unngå hodebry med forstyrrelse ved oppstart på lavspenning

Erfarne ingeniører vet at en av de mest risikofylte tidene for et system, er når strøm påføres. Avhengig av tidskonstanter og hvor jevnt og raskt strømforsyningen kommer opp til nominell verdi, kan de forskjellige IC-ene og delene av systemet starte, låse seg eller starte i feil modus når de prøver å samarbeide med hverandre. Utfordringen legger til at timingen og slew-relaterte ytelsen til IC-ene ved oppstart kan være en funksjon av temperatur, tilhørende kondensatorer, mekanisk stress, aldring og andre faktorer.

Det potensielle problemet forverres når driftsspenningsforsyningen faller til lave ensifrede verdier, noe som reduserer mengden av «slakk» eller margin for å fungere med den nominelle forsyningsverdien. Alle disse faktorene kan føre til inkonsekvent oppstartsytelse og frustrerende feilsøkingsøkter.

Av disse grunnene har analoge IC-leverandører utviklet spesialiserte IC-er som tilbyr tilsynsstyringsfunksjoner som eliminerer usikkerheten og inkonsekvensen ved oppstart. Denne artikkelen vil definere og karakterisere problemet med forstyrrelse, og deretter vise hvordan det kan unngås ved å legge til noen små, spesialiserte IC-er fra Analog Devices.

Hva er en elektrisk forstyrrelse?

Som med mange tekniske termer som «buffer» eller «programmerbar», har ordet «forstyrrelse» forskjellige betydninger avhengig av konteksten. En forstyrrelse kan være:

• En støyindusert pigg på et signal eller strømledning
• Et plutselig, kort fall i en strømforsyning på grunn av en lasttransient
• En mikrosekundperiode når både øvre og nedre MOSFET-er i en bro utilsiktet slås på samtidig, som et resultat av forskjellige på-/av-tider i gatedriverne deres (en svært dårlig forekomst)
• En kortvarig ubestemt signal- og rasetilstand på grunn av timingtoleranser og forskjeller mellom komponentene

Denne artikkelen ser på en forstyrrelse som kan oppstå under «oppstartsperioden» når strømmen slås på, og komponentene går over til sin normale driftstilstand, spesielt i lavspenningssystemer. Slike forstyrrelseer ved påslag er spesielt frustrerende fordi de kan forårsake periodiske problemer som er vanskelige å debugge, og som ikke har noen åpenbar sammenheng eller konsistens. Ettersom de feilfremkallende forholdene ofte er «på kanten», kan deres forekomst variere med temperatur, forsyningens toleransegrenser (selv om de fortsatt er innenfor spesifikasjonen), individuelle komponentvariasjoner i et parti av samme enhet og andre faktorer som er vanskelige å bestemme.

Hva er denne forstyrrelseen, og hva er kilden? Vurder et system med en mikrokontroller og en tilhørende den overvåkende/beskyttende nullstillings-IC-en. Rollen til sistnevnte IC er enkel og fokusert: å opprettholde pålitelig systemdrift under oppstarts-, avstengings- og brownout-forhold (Figur 1).

Figur 1: Forståelse av en forstyrrelseskilde begynner med en titt på et enkelt, typisk arrangement av en mikrokontroller og dens tilhørende overvåkende/beskyttende nullstillings-IC, begge drevet av et batteri og dets regulator. (Bildekilde: Analog Devices)

I en typisk batteridrevet utrustning genererer DC-DC-omformeren forsyningsskinnen fra et lite lavspentbatteri. Den overvåkende IC-en legges vanligvis til mellom DC-DC-omformeren og mikrokontrolleren for å overvåke forsyningsspenningen og aktivere eller deaktivere mikrokontrolleren.

Den overvåkende IC sikrer pålitelig drift ved nøyaktig å overvåke systemets strømforsyning og deretter hevde eller deaktivere mikrokontrollerens aktiveringsinngang. Aktivering og deaktivering av mikrokontrolleren administreres via den overvåkende IC-ens nullstillings-utgangspinne. Denne pinnen er vanligvis et åpent avløp som er koblet til en 10 kilohm (kΩ) opptrekksmotstand (pull-up-motstand). Den overvåkende IC overvåker strømforsyningsspenningen og hevder en nullstilling når inngangsspenningen faller under nullstillingsterskelen.

Etter at den overvåkede spenningen stiger over terskelspenningen til dens nominelle verdi, forblir nullstillingsutgangen aktivert i en tidsavbruddsperiode for nullstilling og deaktiveres deretter. Dette lar målmikrokontrolleren forlate nullstillingstilstanden og begynne drift.

Men hva skjer med nullstillingslinjen før overvåknings-IC-en slår seg på og trekker den lavt? Svaret finner du ved å se nøye på en typisk oppstartssekvens (Figur 2). Som forsyningsskinne V_CC begynner å slå seg på, er både mikrokontrolleren og den overvåkende IC-en av. Som en konsekvens er nullstillingslinjen flytende og 10 kΩ opptrekksmotstanden (pullup-motstanden) får spenningen til å spore V_CC.

Figur 2: I en typisk oppstartssekvens er nullstillingslinjen flytende, så spenningen følger økningen i forsyningsskinnen V_CC . (Bildekilde: Analog Devices)

Denne spenningsøkningen kan være hvor som helst mellom 0,5 og 0,9 volt, noe som potensielt kan forårsake ustabilitet i systemet. Når den overvåkende IC-en slås på, trekkes nullstillingslinjen ned for å forhindre at mikrokontrolleren slås på utilsiktet. Denne feilen er felles for alle tidligere generasjoner av overvåkingskomponenter.

Lavspentsystemer forstørrer problemet

Dette forstyrrelsesscenariet blir et stort problem med trenden mot strømfattige enheter som opererer med stadig lavere spenninger. Tenk på systemer med tre logiske nivåer på 3,3 volt, 2,5 volt og 1,8 volt (figur 3). For 3,3-volt-systemet er utgangs-lavspenningsterskelen (Vol) og inngangs-lavspenningsterskelen (Vil) mellom 0,4 volt og 0,8 volt. Hvis en forstyrrelse oppstår ved 0,9 volt, kan det potensielt føre til at prosessoren blir ustabil ved å slå den av og på.

Figur 3: Logiske nivåer har krympet fra 3,3 volt ned til 1,8 volt, og det samme har tilhørende spenningsterskler. (Bildekilde: Analog Devices)

Situasjonen for et nominelt 1,8-volts system er mer følsom. Nå er Vol og Vil mye lavere ved 0,45 volt og 0,63 volt. En 0,9 volt forstyrrelse i dette systemet representerer en større prosentandel, noe som gir det et høyere potensial for forstyrrelser.

Hvordan spiller denne situasjonen ut med forstyrrelsen som påvirker systemdriften? Tenk på en strømforsyningsspenning V_DD som øker sakte til 0,9 volt og "dveler" der i en kort periode (Figur 4). Selv om denne spenningen ikke er nok til å slå på den overvåkende IC, kan mikrokontrolleren fortsatt være aktivert og kjøre i en ustabil tilstand. Siden 0,9-volt-verdien er i en ubestemt tilstand, kan forstyrrelsen tolkes av mikrokontrollerens RESET-inngang som enten en logisk 1 eller 0, noe som uregelmessig vil aktivere eller deaktivere den.

Figur 4: Som strømforsyningsspenning V_DD ramper opp til 0,9 volt og henger der, kan mikrokontrolleren slås på og av uberegnelig. (Bildekilde: Analog Devices)

Dette får mikrokontrolleren til å utføre delvise instruksjoner eller ufullstendige skrivinger til minnet, som bare to eksempler på hva som kan skje, sannsynligvis forårsake systemfeil og mulig katastrofal systematferd.

Løser forstyrrelse-problemet

Å overvinne dette problemet krever ikke en retur til skinner med høyere spenning, eller krever kompliserte systemnivåarkitekturer for å eliminere dets forekomst eller minimere virkningen. I stedet krever det en ny generasjon av overvåkende IC-er som gjenkjenner de unike aspektene ved problemet og forhindrer forstyrrelser i å dannes, uavhengig av spenningsnivået under oppstart eller spenningskollaps (brownout)-forhold.

For å oppnå dette resultatet krever en proprietær krets og IC som f.eksMAX16162 , en nanostrømforsyningsovervåker med forstyrrelsesfri oppstart. Med denne lille IC-en – tilgjengelig i fire-kuls WLP og fire-pinners SOT23-kapslinger – holdes nullstillingsutgangen lav hver gang V_DD er lavere enn terskelspenningen, og forhindrer en spenningsforstyrrelse på nullstillingslinjen. Når spenningsterskelen er nådd og forsinkelsesperioden er fullført, deaktiveres nullstillingsutgangen og aktiverer mikrokontrolleren (Figur 5).

Figur 5: MAX16162 holder nullstillingsutgangen lav hver gang V_DD er lavere enn terskelspenningen, og forhindrer en spenningsforstyrrelse på nullstillingslinjen. (Bildekilde: Analog Devices)

I motsetning til konvensjonelle tilsyns-ICer som ikke er i stand til å kontrollere nullstillingsutgangstilstanden når V_CC er svært lav, er MAX16162-nullstillingsutgangen garantert gyldig til etter en gyldig V_CC nivå er oppnådd.

DeMAX16161 er et nært søsken til MAX16162 med nesten identiske spesifikasjoner, men med en funksjonell forskjell og noe omdefinering av pinnetilordninger (Figur 6). Den har en manuell nullstilling (MR)-inngang som bekrefter en nullstilling når den mottar et passende inngangssignal, som kan være enten aktiv-lav eller aktiv-høy, avhengig av valgt alternativ. Derimot har MAX16162 ingen MR-inngang, men har i stedet separat V_CC og V_I pinner, som tillater terskelspenninger så lave som 0,6 volt.

Figur 6: MAX16161 og MAX16162 er like, men med en liten funksjonell og pinout-forskjell: MAX16161 har en MR-inngang som hevder en nullstilling når den mottar et passende inngangssignal, mens MAX16162 har separat V_CC og V_I pinner. (Bildekilde: Analog Devices)

Sekvenser versus overvåker (supervisor)

Et annet begrepspar som har en viss overlapping og tvetydighet er overvåker og sekvenser. En supervisor overvåker en enkelt strømforsyningsspenning og hevder/frigjør nullstilling under definerte omstendigheter. I motsetning til dette koordinerer en sequencer de relative nullstillingene og «strøm OK»-påstandene mellom to eller flere strøforsyningsverdier.

MAX16161 og MAX16162 kan brukes som enkle strømforsyningssekvenser (Figur 7). Etter at utgangsspenningen til den første regulatoren blir gyldig, setter MAX16161/MAX16162 inn en forsinkelse og genererer aktiveringssignalet for den andre regulatoren etter tidsavbruddsperioden for nullstilling. Fordi MAX16161/MAX16162 aldri deaktiverer nullstilling før forsyningsspenningen er riktig, blir den kontrollerte forsyningen aldri feilaktivert.

Figur 7: En krets som bruker MAX16161 kan konfigureres slik at enheten ikke bare sikrer forstyrrelsesfri oppstart, men også administrerer strømskinnesekvensering mellom to skinner. (Bildekilde: Analog Devices)

Det er også mange design som har flere strømforsyningsnivåer og mer komplekse sekvenseringsbehov. I disse situasjonene, de analoge enheteneLTC2928 Multichannel Power Supply Sequencer og Supervisor tilbyr en løsning (Figur 8).

Figur 8: LTC2928 strømsekvenser styrer opp- og ned-sekvensering mellom fire uavhengige skinner, og muliggjør brukerkontroll over nøkkelparametere. (Bildekilde: Analog Devices)

Denne fire-kanals kaskaderbare strømforsyningssekvenseren og supervisoren med høy nøyaktighet lar designere konfigurere strømstyringssekvenseringsterskler, rekkefølge og timing ved å bruke bare noen få eksterne komponenter. Det sikrer at strømforsyningene aktiveres i ønsket rekkefølge. I tillegg til oppstartssekvensering, kan den administrere den komplementære og ofte like kritiske nedkoblingssekvensen.

Sekvensutgangene brukes til å kontrollere forsyningsaktiverte pinner eller N-kanals gate-er. Ytterligere overvåkingsfunksjoner inkluderer overvåking og rapportering av underspenning og overspenning, samt generering av nullstilling av mikroprosessor. Type og kilde til feil rapporteres for diagnose. Individuelle kanalkontroller er tilgjengelige for å utøve aktiveringsutgangene og overvåkingsfunksjonene uavhengig. For systemer med mer enn fire forsyninger kan flere LTC2928 enkelt kobles til for å sekvensere et ubegrenset antall strømforsyninger.

Konklusjon

Feil er tilstede i alle utrustninger, men de har ikke utgjort et betydelig problem for utrustninger med høyere spenning som dominerte inntil nylig. Nå beveger strømforsyningsspenningen seg lavere, noe som gjør systemstart mindre pålitelig på grunn av 0,9-volts forstyrrelse.

Som vist kan designere forbedre påliteligheten ved å bruke nyere overvåkende IC-er som tilbyr feilfri drift for å gi den høyeste grad av systembeskyttelse for utrustninger med lav effekt/lavspenning.

Anbefalt lesing

1. Analoge enheter/Maxim integrerte produkter, designløsning 7550, «Er applikasjonen din beskyttet mot forstyrrelser (glitch-er?»