Unikanie zakłóceń podczas włączania zasilania układów niskiego napięcia

Doświadczeni inżynierowie wiedzą, że jednym z najbardziej niebezpiecznych momentów dla układu jest włączanie zasilania. W zależności od stałych czasowych i od tego, jak płynnie i szybko szyna zasilająca osiąga parametry znamionowe, różne układy scalone i części układu mogą się uruchamiać, blokować lub załączać w nieprawidłowym trybie, próbując ze sobą współpracować. Dodatkowo wyzwanie polega na tym, że synchronizacja czasowa oraz zmienne w czasie parametry działania układów scalonych podczas włączania zasilania mogą zależeć od temperatury, powiązanych kondensatorów, naprężeń mechanicznych, starzenia się i innych czynników.

Potencjalne problemy narastają wraz z obniżeniem napięcia na szynach do wartości jednocyfrowych, co mniejsza „luz”, lub inaczej mówiąc margines dla pracy z wartością znamionową szyny. Wszystkie te czynniki mogą prowadzić do niespójnych parametrów uruchamiania i konieczności przeprowadzania frustrujących procedur usuwania usterek.

Z tych powodów dostawcy analogowych układów scalonych opracowali specjalistyczne układy scalone, które oferują funkcje nadzoru eliminujące niepewność i niespójność podczas włączania zasilania. Niniejszy artykuł definiuje i charakteryzuje problem zakłóceń, a następnie omawia, jak można go uniknąć poprzez dodanie małych, specjalistycznych układów scalonych firmy Analog Devices.

Czym są zakłócenia?

Podobnie jak w przypadku wielu terminów technicznych, takich jak „bufor” lub „programowalność”, słowo „zakłócenia” może mieć różne znaczenie w zależności od kontekstu. Zakłóceniem może być:

• Skok indukowany szumami na linii sygnałowej lub zasilającej
• Nagły, krótki spadek napięcia w szynie zasilającej spowodowany stanem nieustalonym odbiornika
• Mikrosekundowy okres, w którym zarówno górne, jak i dolne tranzystory MOSFET w mostku są przypadkowo włączone jednocześnie w wyniku różnych czasów włączania/wyłączania w sterownikach bramek (bardzo niekorzystne zjawisko)
• Chwilowy nieokreślony sygnał i zjawisko hazardu wynikające z tolerancji synchronizacji czasowej oraz różnic między komponentami

W niniejszym artykule przedstawiono zakłócenia, które mogą występować w czasie włączania zasilania, przy przechodzeniu układów scalonych do normalnych warunków pracy, zwłaszcza w układach niskiego napięcia. Takie zakłócenia podczas włączania zasilania są szczególnie frustrujące, ponieważ mogą powodować przemijające, trudne do usunięcia problemy bez wyraźnej korelacji czy spójności. Ponieważ stany wywołujące zakłócenia pojawiają się często w warunkach brzegowych, ich występowanie może się różnić w zależności od temperatury, tolerancji szyny zasilającej (bez przekraczania specyfikacji), drobnych różnic poszczególnych komponentów w obrębie partii tego samego produktu oraz innych, trudnych do określenia czynników.

Czym są zakłócenia i jakie jest ich źródło? Rozważmy układ z mikrokontrolerem i powiązanym z nim układem scalonym nadzoru i resetowania ochronnego. Funkcja tego drugiego układu scalonego jest prosta i konkretna: utrzymanie niezawodnego działania układu podczas włączania, wyłączania i spadków napięcia (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Zrozumienie źródła zakłóceń rozpoczyna się od spojrzenia na prosty, typowy układ mikrokontrolera i powiązanego z nim układu scalonego nadzoru i resetowania zabezpieczeń, zasilanym zarówno z baterii, jak i z regulatora. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W typowym zastosowaniu zasilanym z baterii przetwornica prądu stałego generuje napięcie szyny zasilającej z małej baterii o niskim napięciu. Nadzorujący układ scalony dodaje się zazwyczaj między przetwornicą prądu stałego a mikrokontrolerem w celu monitorowania napięcia zasilania oraz włączania i wyłączania mikrokontrolera.

Nadzorujący układ scalony zapewnia niezawodne działanie poprzez dokładne monitorowanie zasilania układu, a następnie aktywację lub dezaktywację wejścia włączania mikrokontrolera. Włączaniem i wyłączaniem mikrokontrolera zarządza się za pomocą wtyku wyjściowego resetowania nadzorującego układu scalonego. Jest to zazwyczaj wtyk o otwartym drenie, który jest połączony z rezystorem podciągającym o rezystancji 10kΩ. Nadzorujący układ scalony monitoruje napięcie zasilania i zapewnia reset, gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej wartości progowej resetowania.

Po wzroście monitorowanego napięcia powyżej wartości progowej do wartości znamionowej, wyjście resetowania jest aktywne przez okres równy limitowi czasowemu resetu, a następnie jest dezaktywowane. Pozwala to mikrokontrolerowi docelowemu na wyjście ze stanu resetowania i rozpoczęcie pracy.

Ale co się dzieje z linią resetowania zanim nadzorujący układ scalony uruchomi się i obniży jej napięcie? Odpowiedź można znaleźć, patrząc dokładnie na typową sekwencję włączania zasilania (ilustracja 2). Gdy pojawia się napięcie szyny zasilającej VCC, zarówno mikrokontroler, jak i nadzorujący układ scalony są wyłączone. W rezultacie linia resetowania nie posiada ustalonego potencjału, a rezystor podciągający 10kΩ powoduje, że jej napięcie podąża za napięciem VCC.

Ten wzrost napięcia może wynosić od 0,5 do 0,9V, co może spowodować niestabilność układu. Po włączeniu nadzorującego układu scalonego napięcie linii resetowania jest obniżane, aby zapobiec przypadkowemu włączeniu mikrokontrolera. Tego typu zakłócenie jest powszechne dla wszystkich poprzednich generacji nadzorujących układów scalonych.

W układach niskiego napięcia ten problem jest wyraźniejszy

Taki scenariusz zakłóceń staje się poważnym problemem, przy czym częściej występuje w urządzeniach niskiej mocy, które działają przy coraz niższych napięciach. Przeanalizujmy układy z trzema poziomami logicznymi: 3,3V, 2,5V i 1,8V (ilustracja 3). W przypadku układu 3,3V wartość progowa niskiego napięcia wyjściowego (Vol) i wartość progowa niskiego napięcia wejściowego (Vil) mieszczą się w zakresie od 0,4V do 0,8V. Jeśli zakłócenie wystąpi przy napięciu 0,9V, może to spowodować niestabilność procesora przez jego wyłączenie i włączenie.

Ilustracja 3: poziomy logiczne spadły z wartości 3,3V do 1,8V i podobnie spadły powiązane wartości progowe napięcia. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Układ o nominalnym napięciu 1,8V jest jeszcze bardziej wrażliwy. Tutaj wartości Vol i Vil są znacznie niższe i wynoszą 0,45V oraz 0,63V. Zakłócenie 0,9V w tym układzie stanowi większą wartością procentową, wobec czego prawdopodobieństwo wystąpienia błędu jest większe.

W jaki sposób rozwija się ta sytuacja, gdy zakłócenie wpływa na działanie układu? Przeanalizujmy napięcie zasilania VDD, które powoli wzrasta do 0,9V i zatrzymuje się na tym poziomie przez krótki okres (ilustracja 4). Napięcie to nie wystarcza do włączenia nadzorującego układu scalonego, jednak mikrokontroler może być włączony i pracować w stanie niestabilnym. Ponieważ wartość 0,9V jest w stanie nieokreślonym, zakłócenie można zinterpretować przy użyciu wejścia resetowania mikrokontrolera jako wartość logiczną 1 lub 0, co może spowodować jego nieoczekiwane włączenie lub wyłączenie.

Ilustracja 4: gdy napięcie zasilania VDD wzrasta do 0,9V i utrzymuje się na tym poziomie, mikrokontroler może się włączać i wyłączać w sposób losowy. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W rezultacie mikrokontroler może wykonywać częściowe instrukcje lub niekompletne zapisy do pamięci. Są to tylko dwa przykłady tego, co może się zdarzyć, prawdopodobnie powodując awarię układu i jego potencjalnie katastroficzne w skutkach zachowanie.