Термин:

Компоненты и технологии > Источники питания

Управление последовательностью включения питания в системах с несколькими шинами питания

Введение

Современные электронные устройства часто содержат несколько шин питания с различными напряжениями. Это особенно характерно для схем на базе микропроцессов, цифровых сигнальных процессоров (DSP), ПЛИС и ASIC. Для обеспечения их надежной и стабильной работы возникает необходимость в управлении порядком подачи напряжений питания и скоростью их нарастания, а также контроле их уровня. При проектировании конкретных схем питания может потребоваться реализация как отдельных функций (напр. управление порядком подачи напряжений питания), так и всего «джентльменского набора». Для этой цели выпускаются микросхемы управления питанием, которые обеспечивают управление последовательностью подачи/снятия напряжений питания и скоростью их нарастания/спада как при включении, так и при выключении схемы (секвенсоры), а также контроль соответствующих значений (супервизоры).

Современные секвенсоры, в дополнение к своим основным функциям, часто позволяют выполнять подстройку напряжений питания (в пределах некоторого диапазона), обнаруживать недопустимое снижение или повышение напряжения и своевременно отключать устройство при возникновении неполадок. Они могут представлять собой как относительно простые аналоговые ИС, содержащие резисторы, конденсаторы и компараторы, так и сложные программируемые устройства, управляемые по последовательному каналу, например I2C.

При проектировании систем с несколькими импульсными источниками питания появляется еще одна задача, которая могла бы решаться секвенсором – синхронизация несущих частот импульсных регуляторов для снижения уровня помех. Многие выпускаемые в настоящее время ИС импульсных регуляторов имеют входы синхронизации от внешних тактовых сигналов.

Управление последовательностью включения источников питания и скоростью
нарастания соответствующих напряжений

Под «секвенсингом» понимается включение и отключение источников питания в заданном порядке. Подобная задача может быть решена с помощью набора таймеров или же путем включения очередного источника при достижении заданного порогового напряжения на предыдущем. Учитывая, что напряжение на выходе большинства источников питания не изменяется мгновенно, во многих случаях возможно также управление скоростью нарастания выходного напряжения. Соответственно, можно выделить три способа управления подачей питания: с совпадением момента включения и темпа нарастания напряжения для всех источников, с различным темпом нарастания при одновременном включении и с неодновременным включением источников при одинаковом темпе нарастания. Соответствующие графики приведены на рис.1.

На рис.1а три источника питания включаются и выключаются с разнесением во времени. Сначала включается источник на 3.3 В, очередность включения остальных определяется спецификой задачи. Такое управление включением/отключением питания позволяет гарантировать, что предельные значения напряжения для активных компонентов схемы не будут превышены. Примером такой схемы может служить схема с АЦП, подключенным к выходу операционного усилителя. В этом случае напряжение питания АЦП должно быть подано раньше, чем напряжение питания усилителя, поскольку в противном случае возможно повреждение входного каскада АЦП.

Рис.1. Способы управления включением питания

На рис.1б все источники включаются одновременно и с одинаковым темпом нарастания, соответственно напряжения на выходе источников с низким выходным напряжением устанавливаются раньше, чем у источников с более высокими выходными напряжениями. Выключение схемы производится в обратной последовательности. Хорошим примером подобных схем являются схемы с относительно старыми ПЛИС и микропроцессорами, в которых предполагалось, что низкие напряжения для питания ядер должны подаваться раньше, чем напряжения питания выходных буферов (I/O). Пример такой схемы с ПЛИС Xilinx Virtex-5 рассмотрен далее.

Пример схемы, содержащей ПЛИС

Принципы управления питанием в схемах с несколькими шинами питания можно хорошо проиллюстрировать на примере устройства на базе ПЛИС. Правильное управление источниками в этом случае может не только способствовать повышению надежности работы устройства и повторяемости процессов в нем, но и исключить его возможные отказы. Большинство ПЛИС имеют несколько шин питания, которые обычно обозначаются VCCO, VCCAUX и VCCINT. Соответствующие источники используются для питания ядра ПЛИС, вспомогательных цепей (тактовых генератор и ФАПЧ) и интерфейсной логики.

В данном случае можно сформулировать следующие требования к питанию:

• Обеспечение правильной последовательности включения/отключения;

• Обеспечение поддержания напряжений питания с требуемой точностью;

• Обеспечение (при необходимости) плавного включения источников питания или управления скоростью нарастания соответствующих напряжений.

В качестве иллюстрации рассмотрим требования к питанию для семейства ПЛИС Xilinx Virtex-5, содержащих не только программируемую логику как таковую, но и различные специализированные компоненты (встроенные средства обработки сигналов, «менеджеры» тактовых сигналов и др.). В соответствии со спецификацией изготовителя, ПЛИС Virtex-5 требуют определенной последовательности подачи напряжений VCCINT, VCCAUX и VCCO. Времена нарастания для соответствующих источников – не менее 200 мкм, и не более 50 мс. Рекомендуемые условия приведены в таблице 1.

Как указывалось ранее, Virtex-5 требует одновременного включения источников при совпадающих скоростях изменения выходных напряжений. Кроме того источники должны обеспечивать рекомендованную точность поддержания напряжения и скорость нарастания/спада напряжения в пределах допустимого диапазона dU/dt.

С другой стороны, ПЛИС является лишь частью системы. Для примера будем считать, что в системе содержится еще одна шина питания с напряжением +5 В и большим током. Источник +1 В для питания ядра ПЛИС имеет точность ±5% (±50 мВ) и должен обеспечивать нагрузочную способность до 4 А. Для питания общей логики используется источник +3 В с точностью ±5%, который в рассматриваемом примере должен обеспечивать ток 4 А для питания портов ПЛИС (I/O) и прочих логических ИС схемы. Шина +2 В предназначена для питания аналоговых компонентов и должна обеспечивать ток порядка 100 мА при минимальном уровне шума.

В данном случае хорошим выбором будет использование для питания шин +1 В и +3 В ИС двухканального понижающего преобразователя ADP1850. Данная микросхема имеет функцию плавного запуска, обеспечивает нарастание напряжения в обоих каналах с одинаковой скоростью, а также позволяет управлять запуском ведомого источника питания от ведущего. Скорость нарастания напряжений задается величиной конденсаторов на выводах SS1 и SS2. В рассматриваемом примере в качестве ведущего выступает источник питания «цифровой» шины +3 В. Для получения напряжения 2.5 В для питания аналоговых компонентов используется линейный регулятор напряжения с малым падением ADP150, который подходит для данной системы как нельзя лучше; при этом есть возможность управлять включением регулятора с помощью сигнала PGOOD2, выдаваемого ADP1850. Упрощенная схема системы, на которой показано управление включением питания, приведена на рис.2 (более подробная информация приводится в технической спецификации ADP1850).

Рассмотренный выше пример иллюстрирует широко распространенный способ управления питанием. Он может использоваться во многих современных системах с несколькими шинами питания, включая микропроцессорные устройства и устройства, содержащие ИС «смешанных» сигналов, такие как АЦП и ЦАП.

Контроль напряжений и токов питания (ADM1191)

В системах с высокими требованиями по надежности необходимо обеспечить непрерывный и точный мониторинг напряжений и токов питания. Для этого существуют соответствующие микросхемы. Примером такой микросхемы является ИС ADM1191, которая обеспечивает контроль тока и напряжения с погрешностью до 1%. Микросхема содержит 12-разрядный АЦП и прецизионный усилитель тока; кроме того, ИС имеет специальный выход ALERTB для формирования прерывания по повышению тока. На рис.3 показан пример использования ИС ADM1191 в схеме с хост-устройством, в роли которого может выступать микропроцессор или микроконтроллер.

Рис.2. Формирование напряжений питания для Virtex-5

ADM1191 связана с микроконтроллером по каналу I2C. При этом система может содержать до 16 таких «мониторов питания», для чего необходимо задать индивидуальный адрес каждой ИС путем задания на входах А0 и А1 (по идее для 16 адресов должно быть 4 входа. – ¬прим. перев.) соответствующих логических уровней. Сигнал ALERTB обеспечивает оперативное информирование контроллера о повышении тока путем формирования соответствующего прерывания, что позволяет принять своевременные меры по защите системы.

Комбинирование управления последовательностью подачи питания с функциями мониторинга

В больших системах и иной раз даже в сложных платах расширения (вставляемых в материнскую плату) может содержаться множеств шин питания, которые требуют управления и контроля состояния. На рис.4 приведен пример системы с восемью шинами питания. Центром системы является ИС ADM1066, являющаяся многофункциональным секвенсором, обеспечивающим полное управление питанием. В числе реализуемых функций – управление последовательностью включения питания, мониторинг напряжений, подстройка напряжения и возможность программирования. Другие ИС серии ADM106x дополняют указанные функции возможностью контроля температуры и функцией сторожевого таймера.

Рассматриваемая «восьмишинная» система имеет три основные шины: 12 В, 5 В и 3 В. Остальные напряжения питания получаются из вышеуказанных при помощи импульсных и линейных регуляторов. Каждый из регуляторов имеет вход «разрешения работы» (enable), управляемый от одного из 10 программируемых выходов (programmable drivers - PD) ADM1066, что позволяет разработчику включать все напряжения питания в управляемой последовательности. ИС ADM1066 содержит встроенный емкостной повышающий преобразователь (charge pump) для получения шести выходных напряжений PD с уровнем, достаточным для управления внешними MOSFET-ключами (с каналом n-типа), используемыми в случаях, когда необходимо управление напряжениями питания, превышающими напряжение питания самой микросхемы.

Рис.3. Простой способ контроля тока и напряжения

Микросхема ADM1066 содержит встроенное ПЗУ (EEPROM) для хранения параметров управления питанием. Настройка конфигурации значительно упрощается при использовании специальной утилиты от компании Analog Devices. Это позволяет значительно сократить время разработки устройства за счет исключения необходимости самостоятельной разработки кода. По мере модификации системы и добавления в схему новых компонентов в параметры конфигурации питания (временные параметры, пороги блокировки по уровню напряжения и т.п.) легко добавить соответствующие изменения. Это не только упрощает разработку, но и снижает вероятность неисправимых ошибок проектирования.

ADM1066 формирует дискретные сигналы PWRGD (power good), VALID и SYSRST (system restore) для информирования контроллера о состоянии питания. Указанные сигналы могут быть привязаны к прерываниям или просто цифровым входам, с тем, чтобы в аварийных ситуациях принимались соответствующие меры. Такое «оперативное реагирование» значительно снижает вероятность катастрофических последствий при пробое конденсаторов и иных потенциально опасных событиях. PWR_ON и RESET представляют собой дискретные входы, на которые подаются управляющие сигналы с контроллера. Указанные сигналы являются завершающим звеном в контуре управления питанием.

Подстройка напряжений питания с использованием ADM1066

Встроенные ЦАП ADM1066 могут использоваться для изменения величины питающих напряжений в процессе отладки системы, например, для оптимизации их уровня или получения значений, отличных от номинальных. Возможность такой подстройки позволяет изучить поведение проектируемой системы во всем диапазоне допустимых напряжений питания без использования дополнительного оборудования.

Рассматриваемая функция обычно используется при внутрисхемном тестировании компонентов системы, например, если разработчику требуется проверить схему на надежность работы при колебаниях напряжений питания в пределах ±5%. В качестве отправной точки для решения вышеописанной задачи можно использовать схему на рис.4, которая позволяет регулировать сразу несколько напряжений питания.

Подстройка напряжений питания без обратной связи

Простейший способ регулирования напряжения на выходе источника питания, такого как DC/DC-преобразователь или линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO), заключается во вводе в цепь обратной связи или подстройки напряжения дополнительных резисторов, позволяющих вводить требуемое смещение с помощью ЦАП. При использовании подобного подхода (рис.5) с помощью ADM1066 можно дистанционно управлять напряжением питания по шине SMBus, путем изменения уровня сигнала на соответствующем выходе ЦАП. Подобное регулирование можно производить без каких-либо обратных связей, независимо от остальных компонентов системы.

Рис.4. Пример системы с восемью шинами питания.

ИС ADM1066 позволяет регулировать до шести напряжений питания, используя шесть встроенных ЦАП (DAC1-DAC6) для ввода смещения в цепи обратной связи контролируемых источников питания. Простейшая цепь, реализующая ввод смещения представляет собой один единственный резистор (R3), соединяющий выход ЦАП с узлом цепи обратной связи DC/DC-преобразователя. Если выходное напряжение ЦАП равно напряжению ОС источника питания, ток через резистор коррекции равен нулю, и, соответственно, напряжение на выходе преобразователя не изменяется. Превышение напряжения ОС напряжением на выходе ЦАП приводит к появлению тока, протекающего к узлу в цепи ОС. Для компенсации дополнительного тока преобразователь «вынужден» снизить свое выходное напряжение. Для снижения напряжения на выходе преобразователя выходное напряжение ЦАП должно быть ниже напряжения ОС. В целях ограничения уровня шумов в рассматриваемой схеме дополнительный резистор может быть разделен на два резистора с конденсатором между ними, подключенным к «земле» вблизи DC/DC-преобразователя.

Рис.5. Подстройка напряжений питания с использованием обратной связи

Более точным и информативным способом проверки поведения схем при отклонениях напряжений питания является регулирование указанных напряжений с замыканием обратной связи. Пример схемной реализации такого подхода показан на рис.4 (канал 1.2 В). Напряжение на контролируемой шине питания считывается через вход VX2, что повышает точность отработки задания по напряжению. ИС ADM1066 содержит все необходимые для этого цепи, а также 12-битный АЦП для измерения уровня сигнала и 6 ЦАП с выходами напряжения для управления источниками питания, как указано выше. Вышеупомянутые цепи могут быть использованы и с внешней логикой, напр. микроконтроллером, что позволяет управлять DC/DC-преобразователями или линейными стабилизаторами с точностью установки напряжения до примерно ±0.5%.

Для реализации проверки схемы при отклонении напряжения питания на испытуемой шине с замыканием ОС следует руководствоваться следующей последовательностью:

1. Отключить выходы ЦАП (6 шт.).

2. Задать напряжения на выходах ЦАП равными напряжению в узле обратной связи.

3. Запустить ЦАП.

4. Оцифровать напряжение на выходе DC/DC-преобразователя, подключенного к одному из выводов VPx, VH или VXx.

5. При необходимости увеличить или уменьшить напряжение на выходе ЦАП (DACx) для изменения напряжения на выходе преобразователя. Если требуемое напряжение получено, больше ничего делать не нужно.

6. Задать на выходе ЦАП напряжение, соответствующее требуемому изменению напряжения питания (напр. ±5%).

7. Повторять процесс до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое напряжение.

Шаги с 1-го по 3-й предназначены для того, чтобы гарантировать, что включение выходных буферов всех ЦАП не приведет к изменению напряжения на выходе DC/DC-преобразователя. Выходной буфер ЦАП спроектирован таким образом, что исключаются «глитчи» (кратковременные выбросы) на соответствующем выводе ИС при первоначальной подаче питания. В этот момент активный сигнал на выводе попросту отсутствует. При включении буфера сначала его вход подключается к выходу ЦАП, после чего вывод буфера подключается к выводу ИС, что позволяет избежать появления на нем нежелательных бросков.

Синхронизация импульсных регуляторов

В системах с несколькими шинами питания, содержащих более одного импульсного регулятора (ШИМ-контроллера) существует вероятность взаимодействия между регуляторами при определенных соотношениях соответствующих частот ШИМ. Это может привести к появлению биений, что влечет за собой ухудшение шумовых характеристик питания и проблемы с ЭМС. К счастью, многие ШИМ-контроллеры и импульсные регуляторы имеют возможность синхронизации внутренних тактовых частот. Следует отметить, что линейные стабилизаторы свободны от указанного недостатка, однако их использование не всегда возможно из-за ограничений по величине выходного тока и низкого к.п.д.

Рис.6. Синхронизация ADP2116 от внешнего источника тактового сигнала

Хорошим примером источника питания с возможностью синхронизации является сдвоенный импульсный регулятор ADP2116. Его вывод SYNC/CLKOUT может быть сконфигурирован как вход синхронизации (SYNC) или как выход синхронизации (CLKOUT) через вход SCFG. Если SYNC используется в качестве входа синхронизации, несущая ADP2116 оказывается синхронизированной по внешнему сигналу, причем каналы микросхемы при этом работают в противофазе (т.е. со сдвигом на 180°). При работе ИС в качестве источника тактового сигнала на выход CLKOUT выдается удвоенная несущая частота со сдвигом 90°. Таким образом, ADP2116 может выступать в качестве «мастера», формирующего тактовую частоту для других DC/DC-преобразователей, включая другие ИС ADP2116 (см. рис.6). Если ИС сконфигурирована в качестве «ведомого» устройства, она синхронизируется от внешнего источника тактового сигнала. Синхронизация всех DC/DC-преобразователей в системе позволяет исключить появление нежелательных биений, которые могут приводить к проблемам с ЭМС.

Выводы

В статье рассмотрены различные способы построения схем с несколькими напряжениями питания. Использование специализированных ИС, таких как секвенсоры, мониторы питания, регуляторы и ШИМ-контроллеры позволяет упростить разработку схем питания и исключить необходимость дальнейших корректировок как схемотехники, так и разводки платы.

Автор:	Rich Ghiorse (Analog Devices)
Дата:	2012-05-05