I progettisti di circuiti di alimentazione utilizzano soluzioni flessibili di monitoraggio, sequenziamento e regolazione dell'alimentazione per gestire al meglio i sistemi. L'articolo descrive i vantaggi di queste metodologie e come realizzarle.
Introduzione
Il monitoraggio ed il controllo di un numero crescente di linee di tensione di alimentazione, sono essenziali per la sicurezza, l'economia, la durata ed il corretto funzionamento dei sistemi elettronici, in particolare, per i sistemi che impiegano microprocessori e microcontrollori. Determinare se una linea di tensione è al di sopra o al di sotto di una soglia o all'interno di una finestra operativa, e se tale tensione è accesa o spenta nella sequenza corretta rispetto alle altre linee, è fondamentale per l'affidabilità operativa e la sicurezza di un dispositivo elettronico.
Esistono molti metodi per risolvere vari aspetti di questo problema. Ad esempio, un semplice circuito che utilizza un partitore resistivo di precisione, un comparatore e un riferimento, può essere utilizzato per determinare se la tensione su un rail (linea di tensione) è al di sopra o al di sotto di un certo livello. Nei generatori di reset, che possono essere realizzati con circuiti integrati, questi elementi sono combinati con un elemento di ritardo per mantenere in “reset “ i dispositivi per un determinato intervallo di tempo, come microprocessori, circuiti integrati specifici per applicazione (ASIC) e processori di segnale digitale (DSP), oppure durante l'accensione. Questo livello di monitoraggio è adeguato per molte applicazioni. Quando è necessario monitorare più linee di alimentazione, vengono utilizzati più dispositivi (o comparatori multicanale ed i relativi circuiti) in parallelo, ma opportunità sempre maggiori richiedono circuiti integrati di monitoraggio che facciano più di un semplice confronto di soglie.
Ad esempio, si consideri un requisito comune per il sequenziamento dell'alimentazione: un produttore di FPGA (Field-Programmable Gate-Array) può specificare che la tensione del core da 3,3 V deve essere applicata prima della tensione 5V per evitare possibili danni quando il dispositivo è acceso. Soddisfare tali requisiti di sequenziamento può essere cruciale per l'affidabilità quanto mantenere la tensione di alimentazione e la temperatura del dispositivo entro limiti operativi specificati. Inoltre, il numero di linee di alimentazione in molte applicazioni è aumentato drasticamente. Sistemi complessi e costosi, come gli switch LAN e le stazioni base cellulari, hanno comunemente schede con più linee di tensione; ma anche i sistemi consumer sensibili ai costi, come le TV OLED, possono avere fino a 15 linee di tensione separate, molte delle quali potrebbero richiedere monitoraggio e sequenziamento.
Molti circuiti integrati ad alte prestazioni ora richiedono più tensioni, ad esempio, tensioni core e I/O separate sono standard per molti dispositivi. Nella fascia alta, i DSP possono richiedere fino a quattro alimentazioni separate per dispositivo. In molti casi, numerosi dispositivi multi-alimentazione possono coesistere in un singolo sistema che contiene FPGA, ASIC, DSP, microprocessori e microcontrollori (oltre a componenti analogici). Molti dispositivi condividono livelli di tensione standard (ad esempio 3,3 V) mentre altri potrebbero richiedere tensioni specifiche per il dispositivo. Inoltre, un particolare livello di tensione standard potrebbe dover essere fornito in modo indipendente in numerosi punti. Ad esempio, potrebbero essere necessarie alimentazioni analogiche e digitali separate, come 3,3 V analogiche e 3,3 V digitali. Potrebbe essere necessario generare la stessa tensione più volte per migliorare l'efficienza (come rail di memoria che funzionano a centinaia di ampere) o per soddisfare i requisiti di sequenziamento (3,3 V necessari a dispositivi separati in momenti diversi). Tutti questi fattori contribuiscono alla proliferazione delle fonti di tensione.
Il monitoraggio e la sequenza della tensione possono diventare piuttosto complessi, soprattutto se un sistema deve essere progettato per supportare una sequenza di accensione, una sequenza di spegnimento e risposte multiple a tutte le possibili condizioni di guasto sui vari rail di alimentazione in diversi punti durante il funzionamento. Un controller di gestione dell'alimentazione centrale è il modo migliore per risolvere questo problema. Con l'aumentare del numero di tensioni di alimentazione, aumenta notevolmente la probabilità che le cose vadano male, il rischio aumenta in proporzione al numero di alimentazioni, al numero di elementi ed alla complessità del sistema. Anche i fattori esterni aumentano il rischio; se, ad esempio, l'ASIC principale non è completamente caratterizzato al momento della progettazione iniziale, il progettista deve impegnarsi a cablare soglie di monitoraggio della tensione e sequenze di temporizzazione soggette a modifiche man mano che vengono sviluppate le specifiche dell'ASIC.
Se i requisiti cambiano, una scheda PCB potrebbe dover essere rivista, con ovvie implicazioni di tempi e costi, inoltre, le specifiche della tensione di alimentazione per determinati dispositivi potrebbero cambiare durante il loro sviluppo. In tali circostanze, un modo per regolare prontamente le alimentazioni sarebbe utile a qualsiasi gestore del sistema di alimentazione centrale, infatti, la flessibilità di monitorare, sequenziare e regolare i rail di tensione di tali sistemi è una necessità vitale. Valutare la robustezza della protezione dai guasti, e della sequenza di temporizzazione scelta, può essere un lavoro considerevole, quindi un dispositivo che semplifica questo processo accelererà la valutazione della scheda e ridurrà il time-to-market. La registrazione dei guasti ed i dati digitalizzati di tensione e temperatura sono caratteristiche utili, sia sul campo che in tutte le fasi di progettazione, dallo sviluppo iniziale del PCB alla valutazione del prototipo.
Un semplice monitoraggio delle alimentazioni
Un metodo semplice per monitorare più rail di tensione è di usare un comparatore, per ogni rail viene utilizzato un circuito individuale di comparazione, i divisori resistivi posti all’ingresso del comparatore ridimensionano la tensione di rail, impostando un punto di soglia di bassa tensione per ogni alimentazione. Tutte le uscite sono collegate insieme per generare un segnale cumulativo di “alimentazione valida”.
Sequenziamento di base
Il sequenziamento può essere implementato con componenti discreti, utilizzando soglie logiche anziché comparatori. Ad esempio, una certa applicazione necessita che le varie alimentazioni non si accendano contemporaneamente, ma in sequenza. Per ottenere ciò, il progettista deve prevedere di introdurre un ritardo temporale in ogni circuito alimentatore al fine di garantire che il sistema funzioni correttamente, questo si ottiene realizzando un circuito RC, ovvero una combinazione resistore-condensatore, applicato ad ogni circuito alimentatore. I valori del circuito RC sono scelti per garantire un ritardo temporale diverso per ogni alimentatore in modo che i circuiti alimentatori si accendano uno dopo l’altro.
Questo approccio semplice ed a basso costo per il sequenziamento degli alimentatori utilizza una piccola area della scheda PCB ed è perfettamente accettabile in molte applicazioni, ed è adatto per sistemi in cui il costo è il driver principale, i requisiti di sequenziamento sono semplici e la precisione del circuito di sequenziamento non è critica. Tuttavia, molte situazioni richiedono una precisione maggiore di quella disponibile con i circuiti RC, inoltre, questa semplice soluzione non consente di gestire i guasti in modo strutturato (ad esempio, un guasto dell'alimentazione comune che alimenta i circuiti alimentatori, alla fine causerà la caduta di tutte le linee di alimentazione). La Figura 1 riporta lo schema di principio di un metodo di sequenziamento delle alimentazioni realizzato con circuiti RC di ritardo individuali.
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