Hogyan kezelik a feszültségfelügyelő áramkörök a tápegység zaját és zavarait?

A feszültségfelügyelő integrált áramkörök használata növeli a mikrokontroller-alapú rendszerek megbízhatóságát azáltal, hogy figyelik a tápellátás zavarait, és a rendszer hibás működésének, illetve a teljes rendszer meghibásodásának megelőzése érdekében resetüzemmódba helyezik a mikrokontrollert. A tápellátás tökéletlenségei, például a zaj, a feszültséghibák és a tranziensek azonban hamis és zavaró resetekhez vezethetnek, amelyek befolyásolhatják a rendszer működését. Ez a cikk bemutatja, hogy a feszültségfelügyelők hogyan kezelik azokat a jelenségeket, amelyek hamis és zavaró reseteket válthatnak ki a rendszer teljesítményének és megbízhatóságának javítása érdekében.

Az olyan alkalmazások, amelyek számításokat végeznek és adatokat dolgoznak fel, és amelyekhez programozható FPGA-k, mikroprocesszorok, digitális jelfeldolgozók és mikrokontrollerek szükségesek, biztonságos és megbízható működést igényelnek. Ezek az eszközök próbára teszik a tápellátási követelményeket, mivel a tápellátás csak bizonyos tűréshatáron belül működhet. A feszültségfelügyelők ismert megoldások a rendszer megbízhatóságának elérésére. Azonnal képesek cselekedni, a rendszert reset­üzemmódba helyezve, ha a tápegység váratlanul meghibásodik, például alul- vagy túlfeszültség lép fel. A tápegység sínfeszültségének felügyelete azonban néhány kellemetlenséggel járhat, amelyek nem kívánt hamis resetkimeneteket válthatnak ki – mint például a tápegység zajai, feszültségtranziensek és zavarok, amelyek magából a tápegység áramköréből származhatnak.
Ez a cikk a feszültségfelügyelet különböző paramétereit tárgyalja, amelyek a nem kívánt tápegységzajokat, feszültségtranzienseket és zavarokat kezelik. Kifejtve, hogy ezek a paraméterek hogyan javítják a feszültségfelügyelők megbízhatóságát a tápegységek felügyelete során, hogy növelni tudják az alkalmazásban a rendszer megbízhatóságát.

A tápegységzaj, feszültségtranziensek és zavarok a rendszerben

A tápegységek eredendően tökéletlenek. Az egyenáramra csatolt termékek között mindig előfordulnak zajosak. A zajok származhatnak magából a tápegység áramköri felépítéséből, más tápegységek zajából és a rendszerből eredő egyéb forrásokból. Ezek a problémák még súlyosabbak lehetnek, ha az egyenáramú tápegység kapcsolóüzemű elven működik (SMPS). Az SMPS a kapcsolási frekvenciával összefüggő hullámzást, és emellett nagyfrekvenciás kapcsolási tranzienseket is produkál, amelyek a kapcsolási átmenetek során jelentkeznek. Ezeket az átmeneteket a teljesítmény-MOSFET-ek gyors be- és kikapcsolása okozza. Az 1. ábra egy olyan áramköri alkalmazást mutat be, amelyben a MAX705 IC-t a kapcsolószabályozó kimenetének – amely a mikrokontroller feszültségellátását biztosítja – esetleges meghibásodásának ellenőrzésére használják.

1. ábra Egy MAX705 feszültségfelügyelő alkalmazás a kapcsolószabályozó kimenetének monitorozására, amely egy mikrokontroller bemeneti feszültségellátását jelenti

Az állandósult üzemzajok mellett a tápegységben vannak olyan esetek is, ahol a feszültségtranziensek hangsúlyosabbak. Indításkor általában a tápegységben a visszacsatolási hurok válaszával kapcsolatos feszültségkimeneti túllövés figyelhető meg, amelyet egy ideig feszültségcsengés követ, amíg el nem éri a stabilitást. Ez a csengés rosszabb lehet, ha a visszacsatolási hurok kompenzációs értékei nem optimálisak. A feszültségtúllövés és -alullövés a tranziens vagy dinamikus terhelés során is megfigyelhető. Az alkalmazásokban vannak olyan esetek, amikor a terhelésnek több áramra van szüksége az összetett folyamatok végrehajtásához, ami feszültség-alullövéshez vezet. Másrészt a terhelés azonnali vagy gyors ütemű csökkentése feszültségtúllövést eredményez. Emellett előfordulhatnak olyan rövid ideig tartó feszültségingadozások is a tápegységben, amelyeket külső tényezők okoznak. A 2. ábra a tápegységben különböző forgatókönyvek esetén fellépő különböző feszültségtranzienseket és zavarokat szemlélteti.

2. ábra A tápfeszültségben különböző forgatókönyvek szerint megfigyelhető feszültségtranziensek és zavarok

A rendszerben előfordulhatnak olyan feszültségtranziensek, amelyek nem a tápfeszültséghez, hanem egy felhasználói felülethez, például egy mechanikus kapcsolóhoz vagy egy vezető kártyához kapcsolódnak bizonyos alkalmazások esetében. Egy kapcsoló be- és kikapcsolása feszültségtranzienseket és zajt okoz a bemeneti lábon, jellemzően a kézi resetlábon. Mindezen tényezők – tápellátási zaj, feszültségtranziensek és zavarok, ha túlzott mértékűek – akaratlanul elérhetik a feszültségfelügyelő alul- vagy túlfeszültségi küszöbértékét, és hamis resetet válthatnak ki, ha a tervezés során nem veszik figyelembe. Ez oszcillációs viselkedéshez és instabilitáshoz vezethet, ami a rendszer megbízhatósága szempontjából nem kívánatos.
Hogyan kezelik a feszültségfelügyelők a zajt és a tranzienseket, hogy megakadályozzák a rendszer zavaró reset-jeit? Vannak olyan paraméterek, amelyek segítenek elfedni ezeket a tranzienseket, amelyek a tápegységhez vagy a felügyelt feszültséghez kapcsolódnak. Ezek a következők: a reset-időtúllépés időszaka, a reset­küszöbérték hiszterézise és a resetküszöbérték túlvezérlése vs. időtartama. Eközben a mechanikus kontaktokhoz köthető tranziensek esetében, mint például a resetlábon lévő nyomógomb, a kézi resetbeállítási periódus és a visszapattanási idő, elfedik a tranzienseket. Ezek a paraméterek a feszültségfelügyeleteket robusztussá teszik, nem befolyásolják a tranziensek és a zavarok, így a rendszer nemkívánatos reakcióitól tartják távol.

Időtúllépési időszak alaphelyzetbe állítása (t_RP)

Indításkor, vagy amikor a tápfeszültség egy alulfeszültségi esemény után emelkedik és meghaladja a küszöbértéket, a resetjelnek további idő áll rendelkezésre az inaktivizálást megelőzően, amit reset-időtúllépési időszaknak (timeout period; t_RP) nevezünk. A 3. ábra példaként mutatja, hogy miután a megfigyelt feszültség, ami ebben az esetben a V_CC-vel jelölt tápfeszültség eléri a küszöbértéket egy alulfeszültség vagy indítás miatt, egy aktív LOW resetnek további késleltetése van, mielőtt a HIGH-t inaktivizálja. Ez a plusz idő teret ad a felügyelt feszültségnek, hogy először stabilizálódjon, elfedve a feszültségtúllövést és a csengést, mielőtt a rendszert engedélyezné vagy kivenné a resetüzemmódból. A reset-időtúllépési időszak elnyomja a rendszer hamis resetelését, hogy megakadályozza az oszcillációt és a lehetséges meghibásodást, így segítve a rendszer megbízhatóságának javítását.

3. ábra A reset-időtúllépés periódus (t_RP) segít a rendszert resetüzemmódban tartani, amíg a tápfeszültség stabilizálódik

A küszöbérték-hiszterézis (V_TH+)

A küszöbérték-hiszterézisnek két fő előnye van. Először is, bizonyosságot nyújt arról, hogy a felügyelt feszültség elegendő tartalékkal lépte át a küszöbszintet, mielőtt a reset inaktivizálása megtörténne. Másodszor, lehetőséget ad a tápegységnek, hogy a reset inaktivizálása előtt először stabilizálódjon. A resetkimenet hajlamos arra, hogy többszörös átmenetet produkáljon, amikor olyan jeleket dolgozunk fel, amelyekben zaj van, mivel a tápegység ugrál és újra átlépi a küszöbértéket. Ezt mutatja a 4. ábra. Az olyan alkalmazásokban, mint például az ipari környezet, bármikor előfordulhatnak zajos jelek és feszültségingadozások. Hiszterézis nélkül a resetkimenet folyamatosan váltogatja az aktív és inaktív értékeket, amíg a tápellátás stabilizálódik. Ez szintén oszcillációba hozza a rendszert. A küszöbérték-hiszterézis megszünteti az oszcillációt azáltal, hogy a rendszert visszaállítja, megakadályozva ezzel a rendszer nemkívánatos viselkedését, amelyet a 4. ábrán a kékkel árnyékolt terület mutat. Ez segíti a feszültségfelügyelőt a rendszer hamis reseteléssel szembeni védelmében.

4. ábra Resetkimeneti válasz küszöbérték-hiszterézis nélkül és küszöbérték-hiszterézissel (a reset timeout periódus nem látható, hogy a hiszterézis hatására összpontosítsunk)

Küszöbérték-túlvezérlés visszaállítása vs. időtartam

A külső tényezőkből eredő feszültségzavarok bármely rendszerben előfordulhatnak rövid vagy hosszú ideig. Ezek különböző nagyságú feszültségesések is lehetnek. A túlvezérlési küszöbérték visszaállításának vs. tranziens időtartamnak köze van a feszültségingadozás vagy túlvezérlés nagyságához és időtartamához. Egy rövid ideig tartó, nagyobb amplitúdójú zavar nem váltja ki a resetjelet, míg egy kisebb nagyságú, hosszabb ideig tartó túlvezérlés kiváltja a resetet, ahogy az 5. ábrán látható.

5. ábra A kisebb nagyságú, de hosszabb ideig tartó zavar egy resetjelet vált ki, szemben a nagyobb méretű, rövid ideig tartó zavarral

A felügyelt tápegységben fellépő feszültségtranzienseket időtartamuktól függően figyelmen kívül hagyják. Ezeknek a tranzienseknek a figyelmen kívül hagyása megvédi a rendszert az olyan zavaró resetektől, mint amilyeneket a rövid ideig tartó zavarok okoznak. Ezek a zavarok tévesen válthatnak ki rendszerresetet a rendszer nemkívánatos viselkedéséhez. A termék adatlapján a resetküszöbérték túlvezérlését az időtartam függvényében gyakran ábrázolják a tipikus teljesítményjellemzők egy jellegzetes ábráján, mint például a 6. ábrán. A görbe feletti értékek resetkimenetet váltanak ki, míg a görbén belüli értékeket figyelmen kívül hagyják, hogy megakadályozzák a rendszer hamis resetelését.

6. ábra A resetjel aktiválása a túlvezérlés nagyságától és időtartamától függ

A kézi alaphelyzetbe állítási idő (t_MR) és a visszapattanási idő (t_DB)

A resetidő-korlátozási időszak, a küszöbérték-túlvezérlés vs. időtartam és a küszöbérték-hiszterézis a megfigyelt feszültséghez – amely általában a rendszer-mikrokontroller tápellátása – kapcsolódó feszültségzavarokat és tranzienseket kezeli. A mechanikus érintkezők, például kapcsolók által okozott zavarok esetében a kézi alaphelyzetbe állítási idő és a visszapattanási idő enyhíti a feszültségtranziensek és zavarok lehetséges hatásait.
A kézi alaphelyzetbe állítási idő (t_MR) az az idő, amely a kézi alaphelyzetben tartáshoz és befejezéséhez szükséges, mielőtt a kézi alaphelyzetbe állítás kiváltja a resetkimenetet. Egyes feszültségfelügyelő áramkörök hosszú kézi visszaállítási periódussal készülnek, hogy a rendszer védelmét növeljék. Ezek a fogyasztói termékeknél gyakoriak, hogy a rendszer visszaállításához több másodpercig kell nyomva tartani a gombot. Ezzel a módszerrel elkerülhető a véletlen és nem szándékos visszaállítás, így növelve a védelmet és a megbízhatóságot. A kézi resetbeállítási periódussal a kapcsoló megnyomásakor fellépő összes rövid ideig tartó tranziens és zavar figyelmen kívül marad, ahogy a 7a. ábrán látható, így segítve a rendszer zavarimmunitását.
Ugyanez a koncepció vonatkozik a visszapattanási időre is. A beállítási periódushoz hasonlóan a visszapattanási idő (t_DB) is figyelmen kívül hagyja a nagyfrekvenciás periodikus-feszültségtranzienseket a kapcsoló be- vagy kikapcsolásakor. Ezeket a nagyfrekvenciás tranzienseket érvénytelennek tekintik, és nem váltanak ki resetet, amint az a 7b. ábrán látható. Amikor a jel túllépi a visszapattanási időt, akkor ez az az idő, amikor érvényes bemeneti jelnek tekintendő egy kapcsolóból vagy nyomógombból.

7. ábra A kézi alaphelyzetbe állítási időszak és a visszapattanási idő diagramja egy hosszú kézi alaphelyzetbe állítási időszakkal rendelkező feszültségfelügyelőnél (MAX6444): (a) a kézi alaphelyzetbe állítási időszakot (t_MR) először be kell fejezni, mielőtt egy alaphelyzetbe állítási jel érvényesül; (b) ahhoz, hogy érvényes bemeneti jelnek tekintsék, a visszapattanási időnek (t_DB) be kell fejeződnie

Következtetés

Feszültségfelügyelő IC-k nélkül a rendszerek ki vannak téve az áramkimaradás veszélyének, és a feszültségtranziensek és zavarok során meghibásodhatnak. A feszültségfelügyelők ezt úgy oldják meg, hogy ilyen forgatókönyvek esetén a processzorokat reset­üzemmódba helyezik. A fent tárgyalt paraméterek, beleértve a reset időtúllépési időszakát, a küszöbérték hiszterézisét, a küszöbérték túlvezérlését, a kézi resetbeállítási időt és a visszapattanási időt, javítják a feszültségfelügyelők megbízhatóságát a tápfeszültségek felügyeletében, immunissá téve őket a zavarokkal és tranziensekkel szemben. Ez stabilitást és megbízhatóságot biztosít az általános rendszerteljesítménynek.

Szerző: Noel Tenorio – termékalkalmazási mérnök, Analog Devices

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com