Jess Espiritu, Analog Devices
Analog Dialogue
Введение
Управление последовательностью включения питания требуется для микроконтроллеров, ПЛИС, ЦСП, АЦП и других устройств, работающих от нескольких источников напряжения. Как правило, в таких приложениях ядро и аналоговые блоки должны включаться раньше шин ввода-вывода, хотя в некоторых конструкциях требуются другие последовательности. В любом случае, соблюдение последовательностей включения и выключения может защитить схему как от моментального повреждения, вызванного защелкиванием, так и от постепенного разрушения электростатическими разрядами. Кроме того, управление последовательностью разносит во времени броски пускового тока, что особенно полезно в приложениях, питающихся от источников с ограничением токов.
В данной статье обсуждаются преимущества и недостатки схем секвенсоров питания на дискретных компонентах, и описывается простой, но эффективный метод управления последовательностью включения напряжений, основанный на использовании микросхемы ADP5134 с прецизионными входами разрешения, в которой объединены два понижающих преобразователя с выходным током 1.2 А и два LDO стабилизатора с допустимым током до 300 мА. Представлены также несколько микросхем секвенсоров, которые могут найти применение в устройствах, требующих более точного и гибкого управления порядком включения шин питания.
На Рисунке 1 показан пример приложения, для питания которого требуется несколько шин: шина питания ядра (VCC_INT), шина питания портов ввода/вывода (VCCO), дополнительный источник питания (VCC_AUX) и шина питания системной памяти.
 |
|
| Рисунок 1. | Типичная схема питания процессоров или ПЛИС. |
Взятые для примера ПЛИС Xilinx Spartan-3A имеют встроенные цепи сброса по включению питания, гарантирующие, что к моменту начала конфигурирования устройства все напряжения достигнут необходимого уровня. Это снижает строгость требований к очередности включения, однако для минимизации пусковых бросков тока и соблюдения условий, предъявляемых к ПЛИС, шины питания должны активироваться в следующей последовательности: VCC_INT → VCC_AUX → VCCO. Обратите внимание, что для некоторых приложений необходимы специфические последовательности, поэтому обязательно читайте в справочных документах разделы, посвященные особенностям питания приборов.
Простая схема секвенсора, использующая цепи задержки на дискретных компонентах
Простейшим способом задания очередности включения источников питания является задержка сигналов, поступающих на входы разрешения регуляторов, с помощью пассивных компонентов, таких, как резисторы, конденсаторы и диоды (Рисунок 2). При закрытом ключе диод D1 проводит ток, а D2 остается разомкнутым. Конденсатор C1 заряжается, увеличивая напряжение на входе EN2 со скоростью, зависящей от постоянной времени R1, C1. Когда ключ открывается, конденсатор C1 разряжается через R2, D2 и RPULL до потенциала земли. Напряжение на выводе EN2 спадает со скоростью, определяемой параметрами компонентов R2, RPULL и C2. Изменяя сопротивления резисторов R1 и R2, можно менять времена заряда и разряда, устанавливая, таким образом, задержки включения и выключения.
 |
|
| Рисунок 2. | Простой метод управления последовательностью включения питания, реализованный с помощью резисторов, конденсаторов и диодов. |
Такой подход может оказаться полезным для приложений, не нуждающихся в точном секвенсировании, где достаточно простой задержки сигналов с помощью внешних компонентов R и C. Недостаток использования этого метода для управления стандартными регуляторами напряжения заключается в том, что логические пороги выводов разрешения могут сильно зависеть от напряжения и температуры. Кроме того, скорость нарастания напряжения зависит от номиналов и допусков резисторов и конденсаторов. Емкость типичных конденсаторов с диэлектриком X5R может изменяться на ±15% в диапазоне температур от –55 °C до +85 °C, и до ±10% под воздействием постоянного напряжения смещения, что делает их совершенно непригодными для использования в качестве времязадающих элементов.
Прецизионные входы разрешения делают задачу секвенсирования очень простой
Чтобы стабилизировать уровни порогов для точного соблюдения временных соотношений, большинству регуляторов понадобится внешний источник опорного напряжения (ИОН). В микросхеме ADP5134 эта проблема решена с помощью встроенного точного ИОН, существенно снижающего стоимость изделия и занимаемую площадь печатной платы. Каждый регулятор микросхемы имеет индивидуальный вход разрешения. Когда напряжение на таком входе превышает значение VIH_EN (минимум 0.9 В), устройство выходит из режима отключения, включая соответствующий блок обслуживания, но регулятор остается неактивным. Напряжение на входе разрешения сравнивается с точным напряжением внутреннего ИОН (типовое значение 0.97 В). Только после того, как напряжение превысит этот порог, регулятор активируется, и его выходное напряжение начинает расти. Во всем диапазоне входных напряжений и рабочих температур напряжение опорного источника изменяется всего на 3%. Столь незначительное изменение гарантирует точное управление временем включения каждого канала, устраняя недостатки, присущие секвенсированию с использованием дискретных компонентов.
 |
|
| Рисунок 3. | Температурная зависимость порога включения, усредненная по выборке из 10 приборов. |
Когда напряжение на входе разрешения становится на 80 мВ (типовое значение) ниже напряжения ИОН, регулятор выключается. Если же на всех входах разрешения напряжение опускается ниже VIL_EN (максимум 0.35 В), устройство переходит в режим отключения. В этом режиме потребляемый схемой ток становится меньше 1 мкА. Изображенные на Рисунках 3 и 4 температурные зависимости порогов включения и выключения подтверждают их высокую точность и стабильность.
 |
|
| Рисунок 4. | Температурная зависимость порога выключения, усредненная по выборке из 10 приборов. |
Простой секвенсор питания, использующий резисторные делители напряжения
 |
|
| Рисунок 5. | Простая схема секвенсора питания на основе ADP5134. |
В многоканальных источниках питания для задания последовательности включения можно подавать часть выходного напряжения одного канала на вход разрешения следующего по порядку включения канала, как это показано на Рисунке 5, где регуляторы включаются и выключаются в такой последовательности: DC/DC_1 → DC/DC_2 → LDO1 → LDO2. На Рисунке 6 показана последовательность включения каналов микросхемы ADP5134 после соединения EN1 с VIN1. На Рисунке 7 показана последовательность отключения каналов микросхемы ADP5134 после разъединения EN1 и VIN1.
 |
 |
||
| Рисунок 6. | Последовательность включения каналов микросхемы ADP5134. | Рисунок 7. | Последовательность отключения каналов микросхемы ADP5134. |
Микросхемы секвенсоров улучшают точность соблюдения временных последовательностей
В некоторых случаях бывает важнее обеспечить высокую точность временнóй привязки, чем экономить на цене и площади печатной платы. Для подобных приложений может использоваться такая микросхема, как четырехканальный секвенсор и монитор питания ADM1184, сохраняющая точность не хуже 0.8% во всем диапазоне температур и входных напряжений. Если же потребуется еще более сложное управление последовательностью включения и выключения, будет полезной четырехканальная микросхема ADM1186, сочетающая все функции ADM1184 с возможностью программирования временных задержек.
 |
|
| Рисунок 8. | Управление порядком включения выходов 4-канального регулятора ADP5034 с использованием 4-канального монитора напряжения ADM1184. |
Четырехканальный регулятор ADP5034 содержит два понижающих DC/DC преобразователя с частотой переключения 3 МГц и максимальным выходным током 1200 мА, а также два LDO стабилизатора с выходным токам до 300 мА. Стандартная функция секвенсирования здесь может быть реализована с помощью микросхемы ADM1184, следящей за выходным напряжением одного регулятора и формирующей логический сигнал управления для входа разрешения следующего регулятора в тот момент, когда контролируемое выходное напряжение достигает требуемого уровня. Этот метод, проиллюстрированный Рисунком 8, может использоваться с регуляторами, не имеющими точных порогов включения на входах разрешения.
Заключение
Управление последовательностью включения питания, основанное на использовании точных порогов входов разрешения, реализуется исключительно просто, и требует всего лишь пары резисторов на канал. Более сложные последовательности можно получить с помощью мониторов напряжения ADM1184 или ADM1186.
Ссылки
