Begrijpen en toepassen van toezichthoudende IC's om problemen met stroomstoringen bij laagspanning te voorkomen

Ervaren ingenieurs weten dat een van de meest risicovolle momenten voor een systeem het moment is waarop de stroom wordt ingeschakeld. Afhankelijk van tijdconstanten en hoe soepel en snel de voedingsrail op nominaal komt, kunnen de verschillende IC's en onderdelen van het systeem starten, vastlopen of in een verkeerde modus starten wanneer zij met elkaar proberen samen te werken. Een extra uitdaging is dat de timing en slew-gerelateerde prestaties van de IC's bij het inschakelen een functie kunnen zijn van de temperatuur, bijbehorende condensators, mechanische spanning, veroudering en andere factoren.

Het potentiële probleem wordt verergerd wanneer de bedrijfsspanningsrails dalen tot lage waarden van één cijfer, waardoor de hoeveelheid "slack" of hoofdruimte voor het functioneren met de nominale railwaarde afneemt. Al deze factoren kunnen leiden tot inconsistente opstartprestaties en frustrerende debugsessies.

Om deze redenen hebben leveranciers van analoge IC's speciale IC's ontwikkeld die toezichthoudende beheersfuncties bieden die de onzekerheid en inconsistentie van het inschakelen wegnemen. Dit artikel definieert en karakteriseert het glitch-probleem, en laat vervolgens zien hoe het kan worden vermeden door toevoeging van enkele kleine, gespecialiseerde IC's van Analog Devices.

Wat is een glitch?

Zoals veel technische termen als "buffer" of "programmeerbaar" heeft het woord "glitch" verschillende betekenissen, afhankelijk van de context. Een glitch kan zijn:

• Een door ruis veroorzaakte piek op een signaal of elektriciteitsleiding
• Een plotselinge, korte daling in een voedingsrail als gevolg van een belastingstransiënt.
• Een microseconde wanneer de bovenste en onderste MOSFET's in een brug onbedoeld gelijktijdig worden ingeschakeld, als gevolg van verschillende in- en uitschakeltijden in hun gate drivers (een zeer slechte zaak)
• Een tijdelijk onbepaald signaal en race condition als gevolg van timing toleranties en verschillen tussen componenten.

Dit artikel gaat over de hapering die kan optreden tijdens de "power-up" periode wanneer de stroom wordt ingeschakeld en de IC's overgaan naar hun normale bedrijfstoestand, vooral in laagspanningssystemen. Dergelijke inschakelstoringen zijn bijzonder frustrerend, omdat ze intermitterende, moeilijk op te sporen problemen kunnen veroorzaken die geen duidelijk verband of consistentie hebben. Aangezien de omstandigheden die storingen veroorzaken vaak "op het randje" zijn, kan het optreden ervan variëren met de temperatuur, de tolerantie van de stroomrail (terwijl deze toch binnen de specificaties blijven), variaties van individuele componenten in een batch van hetzelfde apparaat, en andere moeilijk te bepalen factoren.

Wat is deze glitch, en wat is de bron ervan? Denk aan een systeem met een microcontroller en een bijbehorend reset-IC voor toezicht en beveiliging. De rol van dit laatste IC is eenvoudig en gericht: het in stand houden van een betrouwbare werking van het systeem tijdens inschakeling, uitschakeling en spanningsdaling (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Inzicht in een glitch-bron begint met een blik op een eenvoudige, typische opstelling van een microcontroller en het bijbehorende supervisie/beschermingsreset-IC, beide gevoed door een batterij en zijn regelaar. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In een typische batterijgevoede toepassing genereert de DC-DC-convertor de voedingsrail van een kleine laagspanningsbatterij. Het toezichthoudend IC wordt over het algemeen toegevoegd tussen de DC-DC-convertor en de microcontroller om de voedingsspanning te controleren en de microcontroller in of uit te schakelen.

Het controle-IC zorgt voor een betrouwbare werking door nauwkeurig de systeemvoeding te controleren en vervolgens de vrijgave-ingang van de microcontroller te bevestigen of te deactiveren. Het in- en uitschakelen van de microcontroller wordt beheerd via de reset-uitgangspin van het toezichthoudende IC. Deze pen is typisch een open-drain die is verbonden met een 10 kilohm (kΩ) pull-up weerstand. Het controle-IC bewaakt de voedingsspanning en activeert een reset wanneer de ingangsspanning onder de resetdrempel komt.

Nadat de bewaakte spanning boven de drempelspanning is gestegen tot de nominale waarde, blijft de reset-uitgang gedurende een reset-time-outperiode geactiveerd en wordt dan gedeactiveerd. Hierdoor kan de doelmicrocontroller de reset-toestand verlaten en beginnen te werken.

Maar wat gebeurt er met de resetlijn voordat het controle-IC aangaat en hem laag trekt? Het antwoord wordt gevonden door goed te kijken naar een typische inschakelsequentie (Afbeelding 2). Als voedingsrail V_CC begint te voeden, zijn zowel de microcontroller als het toezichthoudend IC uitgeschakeld. Bijgevolg zweeft de resetlijn en zorgt de 10 kΩ pullup-weerstand ervoor dat zijn spanning V_CC volgt.

Afbeelding 2: In een typische inschakelsequentie is de resetlijn zwevend, zodat zijn spanning de stijging van de voedingsrail V_CC volgt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze spanningsverhoging kan variëren van 0,5 tot 0,9 volt, wat tot instabiliteit van het systeem kan leiden. Zodra het supervisie-IC wordt ingeschakeld, wordt de reset-lijn naar beneden getrokken om te voorkomen dat de microcontroller per ongeluk wordt ingeschakeld. Deze storing komt voor bij alle voorgaande generaties toezichthoudende IC's.

Laagspanningsinstallaties vergroten het probleem

Dit glitch-scenario wordt een groot probleem met de trend naar apparaten met een laag vermogen en een steeds lagere spanning. Denk aan systemen met drie logische niveaus van 3,3 volt, 2,5 volt en 1,8 volt (Afbeelding 3). Voor het 3,3 volt-systeem liggen de laagspanningsdrempel voor de uitgang (Vol) en de laagspanningsdrempel voor de ingang (Vil) tussen 0,4 volt en 0,8 volt. Als er een storing optreedt bij 0,9 volt, kan dat de processor instabiel maken door hem uit en in te schakelen.

Afbeelding 3: De logische niveaus zijn gekrompen van 3,3 volt tot 1,8 volt, en dus ook de bijbehorende spanningsdrempels. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De situatie voor een nominaal systeem van 1,8 volt ligt gevoeliger. Nu zijn Vol en Vil veel lager, namelijk 0,45 volt en 0,63 volt. Een glitch van 0,9 volt in dit systeem vertegenwoordigt een groter percentage, waardoor de kans op fouten groter is.

Hoe speelt deze situatie met de storing die de werking van het systeem beïnvloedt? Denk aan een voedingsspanning V_DD die langzaam oploopt tot 0,9 volt en daar korte tijd blijft hangen (Afbeelding 4). Hoewel deze spanning niet voldoende is om het supervisie-IC in te schakelen, kan de microcontroller toch worden ingeschakeld en in een onstabiele staat verkeren. Aangezien de waarde van 0,9 volt zich in een onbepaalde toestand bevindt, kan de storing door de RESET-ingang van de microcontroller worden geïnterpreteerd als een logische 1 of 0, waardoor deze op onregelmatige wijze wordt in- of uitgeschakeld.

Afbeelding 4: Als de voedingsspanning V_DD oploopt tot 0,9 volt en daar blijft hangen, kan de microcontroller onregelmatig worden in- en uitgeschakeld. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit zorgt ervoor dat de microcontroller gedeeltelijke instructies uitvoert of onvolledig naar het geheugen schrijft, als slechts twee voorbeelden van wat er kan gebeuren, wat waarschijnlijk systeemstoringen en mogelijk catastrofaal systeemgedrag veroorzaakt.

Het probleem van de glitch oplossen

Om dit probleem op te lossen is een terugkeer naar hogere spanningsrails niet nodig, noch zijn ingewikkelde systeemarchitecturen nodig om het optreden ervan uit te sluiten of de gevolgen ervan te minimaliseren. In plaats daarvan is een nieuwe generatie toezichthoudende IC's nodig die de unieke aspecten van het probleem herkennen en voorkomen dat er glitches ontstaan, ongeacht het spanningsniveau tijdens het opstarten of de brown-out.

Om dit resultaat te bereiken is een eigen circuit en IC nodig, zoals de MAX16162, een nanovoeding-supervisor met glitch-vrije inschakeling. Met dit kleine IC - verkrijgbaar in WLP- en SOT23-verpakkingen met vier schijven - wordt de reset-uitgang laag gehouden wanneer V_DD lager is dan de drempelspanning, waardoor een spanningsglitch op de reset-lijn wordt voorkomen. Zodra de spanningsdrempel is bereikt en de vertragingsperiode is voltooid, wordt de resetuitgang gedeactiveerd en wordt de microcontroller ingeschakeld (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De MAX16162 houdt de resetuitgang laag wanneer V_DD lager is dan de drempelspanning, waardoor een spanningsglitch op de resetlijn wordt voorkomen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In tegenstelling tot conventionele controle-IC's die niet in staat zijn de reset-uitgang te controleren wanneer V_CC zeer laag is, blijft de reset-uitgang van de MAX16162 gegarandeerd gehandhaafd tot na het bereiken van een geldig V_CC-niveau.

De MAX16161 is een nauwe verwant van de MAX16162 met vrijwel identieke specificaties, maar met één functioneel verschil en enige herdefiniëring van de pentoewijzingen (Afbeelding 6). Hij beschikt over een handmatige reset-ingang (MR) die een reset uitvoert wanneer hij een geschikt ingangssignaal ontvangt, dat actief-laag of actief-hoog kan zijn, afhankelijk van de gekozen optie. De MAX16162 heeft daarentegen geen MR-ingang, maar in plaats daarvan afzonderlijke V_CC- en V_IN-pinnen, waardoor drempelspanningen van slechts 0,6 volt mogelijk zijn.

Afbeelding 6: De MAX16161 en MAX16162 zijn vergelijkbaar, maar met een klein functioneel en pin-out verschil: de MAX16161 heeft een MR-ingang die een reset uitvoert wanneer het een geschikt ingangssignaal ontvangt, terwijl de MAX16162 aparte V_CC- en V_IN-pinnen heeft. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Sequencer versus supervisor

Een ander paar termen die enige overlapping en dubbelzinnigheid vertonen zijn supervisor en sequencer. Een supervisor bewaakt een enkele voedingsspanning en activeert/vrijgeeft een reset onder bepaalde omstandigheden. Een sequencer daarentegen coördineert de relatieve resets en "power OK"-bevestigingen tussen twee of meer rails.

De MAX16161 en MAX16162 kunnen worden gebruikt als eenvoudige voedingssequencers (Afbeelding 7). Nadat de uitgangsspanning van de eerste regelaar geldig wordt, voegen de MAX16161/MAX16162 een vertraging in en genereren het vrijgavesignaal voor de tweede regelaar na de reset time-out periode. Omdat de MAX16161/MAX16162 de reset nooit ongedaan maakt totdat de voedingsspanning correct is, wordt de geregelde voeding nooit onjuist ingeschakeld.

Afbeelding 7: Een schakeling met de MAX16161 kan zo worden geconfigureerd dat het apparaat niet alleen een storingsvrije inschakeling garandeert, maar ook de stroomrailsequentie tussen twee rails beheert. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Er zijn ook veel ontwerpen met meerdere rails en complexere sequenties. In deze situaties biedt de Analog Devices LTC2928 Multichannel Power Supply Sequencer and Supervisor een oplossing (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: De LTC2928-powersequencer beheert de inschakeling en uitschakeling tussen vier onafhankelijke rails en biedt de gebruiker controle over de belangrijkste parameters. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Met deze cascadeerbare stroomtoevoersequencer met vier kanalen en een zeer nauwkeurige supervisor kunnen ontwerpers drempelwaarden, volgorde en timing voor stroombeheer configureren met behulp van slechts enkele externe componenten. Het zorgt ervoor dat de stroomrails in de gewenste volgorde worden ingeschakeld. Naast inschakelsequenties kan het de aanvullende en vaak even kritieke inschakelsequenties beheren.

De sequentie-uitgangen worden gebruikt voor het aansturen van voedings-enable pinnen of N-kanaal-passages. Aanvullende bewakingsfuncties zijn onderspannings- en overspanningsbewaking en rapportage, alsmede het genereren van een microprocessorreset. Het type en de bron van de storingen worden gerapporteerd voor de diagnose. Er zijn afzonderlijke kanaalbedieningen beschikbaar om de vrijgave-uitgangen en toezichtfuncties onafhankelijk uit te oefenen. Voor systemen met meer dan vier rails, kunnen meerdere LTC2928's eenvoudig worden aangesloten om een onbeperkt aantal voedingen aan elkaar te koppelen.

Conclusie

Storingen zijn in elke toepassing aanwezig, maar zij vormden geen belangrijk probleem voor toepassingen met een hogere spanning, die tot voor kort domineerden. Nu worden de voedingsspanningen steeds lager, waardoor het systeem minder betrouwbaar wordt door 0,9 volt fouten.

Zoals aangetoond, kunnen ontwerpers de betrouwbaarheid verbeteren met behulp van nieuwere toezichthoudende IC's die een storingsvrije werking bieden om de hoogste mate van systeembescherming te bieden voor toepassingen met laag vermogen en lage spanning.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Analog Devices/Maxim Integrated Products, Design Solution 7550, "Is uw toepassing beschermd tegen fouten?".