Több tápfeszültséges tápellátó rendszerek hatékonyabb kezelése

A rendszercsipekhez (System on Chip – SoC), a programozható logikai áramkörökhöz (Field Programmable Gate Array – FPGA) és a beágyazott elektronikai modulokhoz szükséges tápfeszültségek meghatározott sorrendű bekapcsolása meglehetősen bonyolult feladat is lehet. Az ilyen rendszerek tervezőinek tehát célszerű megoldásra van szükségük. Amint a cikkből is kiderül, többféle módja is van annak, hogyan segíthetnek hozzá a korszerű tápellátó rendszerek a feladat egyszerűsítéséhez.

Bevezetés

Napjaink beágyazott rendszereihez használt processzoralapú megoldások közös jellemzője, hogy a tápellátást különböző feszültségű tápsínekkel kell megvalósítani. Ezek a tápsínek nem csak abban különböznek egymástól, hogy a feszültségük eltérő, hanem a bekapcsolásuk helyes sorrendjét tekintve is; a processzormag, a hozzá kapcsolódó perifériák, a be-kimeneti buszok (LVDS, I2C, SPI, stb.) és a memóriaeszközök is érintettek ebből a szempontból. Előfordulhat, hogy azok a nagy áramlökések, amelyek az előírt sorrendű bekapcsolás során keletkeznek, károsíthatják az alrendszer érzékeny alkatrészeit vagy megzavarhatják a bekapcsolási folyamatot.
A rendszerintegráció fokának növekedése azt jelenti, hogy a beágyazott rendszer funkcionalitásainak egyre nagyobb része valósul meg a rendszercsip (SoC) tokozatán belül annak érdekében, hogy csökkenjen az alrendszer NyÁK-területfoglalása és alkatrészköltsége. Az ilyen SoC-áramkörök több tápfeszültségsínre csatlakoznak, mindegyik a neki megfelelő kivezetésre. A „nem rendszercsip-típusú” áramkörök gyakran nagy méretű FPGA-kkal megvalósított programozható logikai hálózatokat tartalmaznak, amelyek hasonló (ha nem nagyobb) bonyolultságú tápfeszültség-ellátást igényelnek. Bizonyos esetekben ezt az is indokolja, hogy más alkatrészeket [diszkrét félvezetőket, például MOSFET-eket vagy szilárdtestreléket (IGBT), szenzorokat (pl. CMOS képalkotó eszközöket) vagy mágnestér-érzékelőket] is szükséges a hordozó NyÁK-ra telepíteni, amelyek közül nem kevés igényel speciális, az adott célhoz kialakított egyedi tápfeszültség-ellátást.
Még egy aránylag egyszerű beágyazott rendszer is igényelhet számos tápfeszültséget (manapság a tíznél többféle tápfeszültség sem ritkaság). Jelentős mérnöki munkát kell fordítani arra, hogy ezek a tápfeszültségek helyes sorrendben kapcsolódjanak be – azaz egy adott feszültségszabályozó kimeneti feszültségének el kell érnie a megfelelő szintet, mielőtt egy másik tápfeszültség szabályozóját aktiválnánk. Mivel az időt pontosabban tudjuk mérni, mint a feszültséget, gyakran egy időalapú sorrendszabályozás lehet a hatékonyabb, ami azon az elven alapul, hogy egy tápfeszültségsín feszültségének egy előre meghatározott idő alatt el kell érnie az elvárt értéket.
Bár a különböző tápfeszültségek bekapcsolódásának időkülönbsége gyakran igen rövid (néhány ms nagyságrendű), ez potenciálisan ennél sokkal hosszabb is lehet bizonyos esetekben – ha például elektromechanikus elemek is vannak a rendszerben vagy fűtőkészülékek, amelyeknek el kell érniük egy optimális hőmérsékletet, mielőtt a soron következő részegységet aktiválnánk, vagy ha a központi egységnek egy időigényes kalibrációs műveletet kell végrehajtania – és mindezt a tervezőnek kell figyelembe vennie.
Ha diszkrét feszültségátalakítók vannak a rendszerben, mindegyik rendelkezhet engedélyező bemenettel és a helyes kimeneti feszültség elérését jelző „power good” (tápfeszültség rendben) kimenettel. A tervező felhasználhatja a „power good” kimenetet arra, hogy a bekapcsolási sorrendben soron következő feszültségátalakító csak akkor aktiválódjon, ha a megelőző feszültségátalakító már kiadta a „power good” jelzést. Ha egy vagy több feszültségátalakítónak nincs engedélyező bemenete, a mérnök azzal is gondoskodhat a megfelelő sorrendű bekapcsolásról, hogy a feszültségátalakítók kimenetével sorosan kapcsolt MOSFET-ek kapuelektródáira a megfelelő sorrendben kapcsolja rá a bekapcsoló jeleket.
Olyan esetben, amikor nincsenek elérhető power good jelek, a mérnöknek valamilyen további kiegészítő áramkört kell segítségül hívnia. Ez úgy működik, hogy a sorban előbb álló feszültségátalakító kimenetét kell mintavételezni, és ennek megfelelő értéke esetén kell előállítani a soron következő feszültségátalakító engedélyező jelét. A feszültség-mintavételező megoldás helyett időzítő áramkörök is alkalmazhatók. Bármelyik megoldást választjuk is, a megvalósításához meglehetősen nagy számú alkatrészre van szükség. Ez növeli az alkatrészköltséget, valamint jelentős a növekedés a szükséges NyÁK-területben, és a megvalósításhoz további fejlesztési erőforrásokat kell mozgósítani.
Hasonló problémák merülhetnek fel a diszkrét elemekből felépített tápfeszültségsorrend-kapcsolóknál a rendszer kikapcsolásakor is, ezért aztán a diszkrét elemes megközelítés helyett a mérnökök számára hatékonyabb lehet, ha keresnek egy megfelelő integrált tápfeszültségsorrend-kapcsoló PMIC (Power Management Integrated Circuit) megoldást.

1. ábra  A Texas Instruments LM3880 típusú integrált áramkörének funkcionális tömbvázlata

Néhány elérhető megoldás

Texas Instruments LM3880

A gondolatmenet „egyenes” megvalósítását adja a Texas Instruments LM3880 integrált áramköre (amelynek funkcionális tömbvázlatát az 1. ábra mutatja). Ez tápfeszültség-bekapcsolási sorrend meghatározására is használható (azzal a kiegészítéssel, hogy az eszköz kikapcsoláskor ugyanazokat az időzítéseket használja, csak a bekapcsolási szekvencia fordított sorrendjében. Három „szabad kollektoros”^[1] kimenetének köszönhetően (amelyek egy bekapcsolási folyamat kezdetén mindannyian alacsony szintet adnak), alkalmas három független tápfeszültségsín engedélyező jeleinek meghatározott sorrendű előállítására. Lehetőség van arra is, hogy két ilyen integrált áramkört egymás után kapcsoljunk, és ezek így együtt már hat tápfeszültségsín előírt sorrendű bekapcsolásához elegendők. A PMIC rendelkezik egy precíziós engedélyező bemenettel is. Ez egy belső komparátorra kapcsolódik, amely a bemeneti feszültséget egy 1,25 V-os referenciafeszültséggel hasonlítja össze. A tápfeszültség-bekapcsolási szekvencia tehát egy, a bemenetre kapcsolt logikai szinttel is elindítható, de ugyanilyen módon azzal is, ha erre a bemenetre egy másik tápfeszültséget kapcsolunk, és az elér egy előre meghatározott feszültségszintet. Ha a bemenetre egy kondenzátort kapcsolunk, a bekapcsolás előírt késleltetése is megvalósítható.
Amikor az engedélyező bemenetet aktiváljuk, az első kimeneti jel – egy előre beállított késleltetés elteltével, amelynek értékét a végtermék gyártása során lehet az áramkör EPROM tárolójába beírni – magas szintre vált. Azonos időintervallum elteltével a második kimenet is aktiválódik, majd – ismét csak az előbbi késleltetéssel – a harmadik is. Hatféle különböző előre megadott késleltetés közül lehet választani a 2…120 ms-os tartományból.

Maxim Integrated MAX16029

A Maxim MAX16029 típusú tápfeszültség-felügyeleti áramköre ugyancsak kondenzátorral beállítható késleltetést alkalmaz. Egyetlen ilyen PMIC-eszközzel négy tápfeszültség adott sorrendű bekapcsolásáról gondoskodhatunk. A cég választékában ezenkívül is találunk további sorrendi kapcsolóáramköröket, amelyek lehetővé teszik, hogy a tervező PMBus interfészen keresztül állítsa be a kívánt időzítést. Ez azt jelenti, hogy ezekből az áramkörökből többet lehet egymással összekapcsolni, ha nagyobb számú tápfeszültségsín sorrendi kapcsolására van szükség.

Texas Instruments TP65916

Ha olyan tápfeszültségsorrend-kapcsolási technológiát választunk, amelyben többféle teljesítményelektronikai megoldást alkalmaznak, a mérnökök számára jelentős előnyök származnak a helyfoglalásnak és a teljes rendszer bonyolultságának a csökkentéséből. A Texas Instruments TPS65916 PMIC áramkörébe öt konfigurálható feszültségcsökkentő átalakítót integráltak. Ezek látják el a processzormagot, a különféle memóriákat és I/O elemeket, amelyek számos fajta mikroprocesszor-jellegű eszközben testesülnek meg. Azzal, hogy ezek a feszültségátalakítók támogatják az adaptív feszültségbeállítás lehetőségét, egyben lehetőséget teremtenek az energiahatékony működésre is ahelyett, hogy feleslegesen elpazarolnák a rendszer részére rendelkezésre álló energiát. A PMIC ezenkívül öt kis feszültségesésű analóg feszültségszabályozót is tartalmaz, amelyekre főként a kis áramú és/vagy kis zajú alkalmazások esetén lehet szükség. Az alkalmazás céljára megfelelő be- és kikapcsolási szekvenciákat a tervezőmérnök határozhatja meg, és az ezt leíró adatokat a gyártás során lehet beírni az eszköz egyszer programozható memóriájába.

Mit használhatunk bonyolultabb esetekben?

Az alkalmazási körülmények bonyolultabb sorrendi követelményeket is támaszthatnak, ha „szélesebb” (több tápfeszültséget tartalmazó) tápsínrendszert kell üzemeltetni. Az ilyen esetekben a be- és kikapcsolási folyamat igényesebb kezelésére lehet szükség. Ilyen esetekben előfordulhat, hogy egy egyszerű sorrendmeghatározás vagy egy általános célú PMIC alkalmazása nem elegendő. Amire ilyenkor szükségünk van, az egy, a felhasználó által programozható mikrovezérlő (MCU).

2. ábra  A Microchip PIC16F1XXX termékcsaládja rugalmas támogatást képes nyújtani még nagy számú tápfeszültségsínt tartalmazó tápellátó rendszerekben is

A Microchip népszerű PIC16F1XXX mikrovezérlő-családja (amint az a 2. ábrán is látható) olyan tápfeszültség bekapcsolási sorrendet kezelő megoldást kínál, amely kimondottan nagy számú tápfeszültségsínre is kiterjedhet. Ezeknek a felhasználó által programozott, beágyazott firmware-je használható a kívánt időzítések meghatározására. Az eszköz ezenkívúl széles körű „rálátással” bírhat a tápfeszültségekre, amelyek alapján éppúgy képes annak eldöntésére, hogy azok megfelelnek-e az előírt kritériumoknak, mint ahogy az adott idő alatti fel- és lefutásra vonatkozó követelményeket is teljesítheti. A 10 bites analóg/digitális átalakító minden tápsín feszültségéből 16 mintát vesz, és az ebből számított átlagértékek (és ebből a tápfeszültség „minőségére” jellemző paraméterek) pontosan kiértékelhetők.
A mikrovezérlő diagnosztikai képességei pedig lehetővé teszik, hogy gyors jelzést kaphasson a rendszer arról, ha probléma merül fel a tápfeszültségrendszerben.

Összegzés

Amint láttuk, az elektronikus rendszerek tápfeszültség-ellátó alrendszereiben kritikus kérdés a tápfeszültségek be- és kikapcsolási sorrendje. Emiatt a rendszer működőképességét és megbízhatóságát csak úgy lehet hosszú ideig fenntartani, ha a tápfeszültség-ellátó rendszer helyes működését semmi sem zavarja meg. Az e célra használható megoldások tartománya az alapfunkciós sorrendi kapcsolóktól a sokkal több funkcióra képes tápfeszültség-felügyeleti céláramkörökön át egészen a teljesen programozható mikrovezérlőkig terjed. A különböző változatoknak a piacon fellelhető gazdag kínálatát ismerve egyszerűen csak arról kell döntenünk, melyik módszer a legmegfelelőbb az alapvető tervezési követelmények teljesítésére (ahol a tervező célja sokféle lehet a műszaki teljesítőképesség maximalizálásától az alacsony alkatrészköltségen vagy a helyfoglalás minimalizálásán át a teljes rendszer enegiaigényének korlátozásáig), és ennek alapján már megbízást is adhatunk a szükséges alkatrészek beszerzésére.

Szerző: Mirko Bernacchi – Mouser Electronics

Magyar nyelvű kapcsolat:
Maus Electronics Kft., a Mouser hivatalos partnere
1034 Budapest, Bécsi út 100.
Tel.: +36 1 244 8412
Mobil: +36 20 777 1080
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.mausel.eu

hu.mouser.com

^[1] A valóságban az eszköz nem bipoláris, hanem MOS-tranzisztorokból épül fel, ezért elvileg „szabad nyelőelektródás” kimenetet kellett volna említeni, de az ilyen (külső felhúzóellenállást igénylő, és akár párhuzamosan is kapcsolható) kimeneteket a magyar szaknyelvben is meghonosodott kifejezéssel szokás szabad (vagy open) kollektorosnak nevezni, annál is inkább, mert a felhasználás szempontjából sincs lényeges különbség a „szabad kollektoros” bipoláris, és a szabad nyelőelektródás MOS-kimenet között. – A ford. megj.