Jednoduché řízení posloupnosti napájecích zdrojů

Složitost návrhu napájecího zdroje s větším počtem výstupů se násobí s každou další hladinou napájení. Vývojář zde potřebuje zvážit dynamickou povahu vzájemně spolupracujících prvků, včetně jejich posloupností a časování, generování power-on resetu, sledování chyb a také náležitých reakcí s cílem ochránit celý systém. A zkušení vývojáři vědí, že k úspěšnému zdolání překážek a posunu projektu od jeho prototypu až do výroby bude zapotřebí flexibilní řešení. To pak ve vývoji v ideálním případě snižuje počet změn v hardwarové i softwarové části.

Vzorový nástroj řešící návrh zdroje s větším počtem výstupů bude tvořen jediným integrovaným obvodem, který zůstane součástí desky od začátku až do konce, takže se v průběhu životního cyklu produktu obejdeme bez jakýchkoli změn ve vedení tras. Autonomně dohlíží a řídí posloupnosti většího počtu hladin, zatímco spolupracuje s dalšími obvody a zajišťuje náležitý dozor nad řadou napěťových regulátorů v celém systému, otázku vzniku případných chyb a resetu nevyjímaje. Po připojení ke sběrnici I2C může vývojář ke konfiguraci, vizualizaci a odladění systému v reálném čase ještě využít rychlého počítačového softwaru.

Jedním z obvodů, které zmíněným požadavkům vyhovují, bude též LTC2937. Jedná se o součástku řídící posloupnost šesti napětí a také velmi přesný dohledový obvod s EEPROM. Každý ze šesti kanálů bude mít dva speciální komparátory sloužící k preciznímu monitorování výskytu přepěťových nebo podpěťových podmínek s přesností ±0,75 %. Jejich prahové úrovně dokážeme definovat samostatně v rozsahu od 0,2 V až do 6 V spolu s 8bitovým rozlišením. Komparátory pracují rychle a s definovaným zpožděním (Propagation Delay) na úrovni 10 µs. Každý z kanálů řadiče je dále vybaven aktivačním výstupem pro řízení vnějšího regulátoru, příp. též hradla průchozího tranzistoru FET.

Tabulka 1 Programovatelný obvod pro řízení posloupnosti a dohled nad šesti kanály s EEPROM

Obr. 1 Obvod LTC2937 řídící posloupnost šesti napájecích zdrojů

Veškeré vlastnosti související s dohledem nad napětím a načasováním posloupností, včetně pořadí v obou směrech, časových parametrů a také reakcí na chybu, lze konfigurovat individuálně. Díky vestavěné EEPROM součástka vystupuje zcela autonomně a může být z hlediska řízení systému rovněž náležitě aktivována. Zapojíme-li kromě toho všeho větší počet obvodů LTC2937, můžeme s využitím jednovodičové komunikační sběrnice autonomně řídit až tři stovky zdrojů.

S využitím autonomních reakcí obvodu a jeho registrů máme nad chybami napájecích zdrojů kontrolu, jsou zřejmé a také řešitelné. LTC2937 automaticky detekuje problémové stavy a dokáže systému vhodným způsobem odpojit napájení. Ten pak zůstane buď vypnutý, nebo se pokoušíme napájení v daném sledu znovu obnovit. V zapojeních s mikrokontrolérem a I2C / SMBus obvod zajistí detailní informaci týkající se typu i příčiny selhání a také stavu systému. MCU se pak může rozhodnout, jak zareaguje, příp. vše ponechá na obvodu LTC2937.

Řízení napájení a jeho tři fáze

V provozním cyklu napájecího zdroje uvažujeme celkem tři fáze – náběh napájení (sequence-up), jeho monitorování a rovněž vypínání (sequence-down). Typickou ilustraci vidíme na obr. 2. Při zapínání musí každý z napájecích zdrojů vyčkat na svou chvíli a poté ve stanoveném čase přejít na žádanou hladinu. Ve sledovací fázi zase potřebujeme, aby jednotlivé zdroje nepřekročily stanovené přepěťové nebo podpěťové limity. Během vypínání zdroje opět čekají na svou příležitost (mnohdy v odlišném pořadí, budeme-li srovnávat s náběhem) a pak se v nastaveném čase deaktivují. Na kterémkoli místě se však může něco pokazit a zapříčinit selhání. Potřebujeme tedy navrhnout systém, ve kterém bude možné jednoduše nakonfigurovat a také pečlivě řídit veškeré kroky a také jejich proměnné.

Obr. 2 Časové průběhy při řízení posloupnosti zdroje

Ke spouštění dochází v případě aktivace vstupu ON. Obvod LTC2937 prochází vzestupnou sekvencí, umožňuje každé hladině její náběh a sleduje, zda se před vypršením nastaveného času dostane přes definovanou prahovou úroveň. Podmínku pro vznik chyby pak odstartuje libovolné napájení, které časovému limitu nevyhoví.

Specifickou výhodu obvodů LTC2937 tvoří takt spojený s pozicí v posloupnosti. Každému kanálu zde bude přiřazena pozice (1 až 1023) a obdrží svůj aktivační signál, když LTC2937 napočítá dané číslo v pořadí. Kanál s jedničkou tak bude pokaždé aktivován dříve než kanál s číslem dva. Změní-li se specifikace systému a bude-li nutné kanály obsluhovat v opačném sledu, můžeme pozice prohodit – druhému kanálu tedy přiřadíme jedničku a prvnímu pak až druhou pozici. Informaci o pořadí v posloupnosti může sdílet i více obvodů, takže pozice N nastane ve stejném čase pro všechny čipy LTC2937 a kanály ovládané různými čipy se tak mohou zapojit ve stejném pořadí – viz obr. 3.

Obr. 3 Typické zapojení většího počtu obvodů LTC2937

Když nabíhá poslední kanál a překračuje svůj podpěťový práh, začíná fáze monitorování. Zde pak LTC2937 využívá svých velmi přesných komparátorů k nepřetržitému sledování napětí každého vstupu oproti přepěťovým a podpěťovým prahovým úrovním. Drobné výkyvy na vstupech nechává bez povšimnutí a spouští pouze v případě, kdy napětí překračuje práh s náležitou velikostí a také po dostatečně dlouhou dobu.

Detekuje-li tedy obvod LTC2937 potíže, okamžitě na ně zareaguje v závislosti na konfiguraci své dohledové části. Typický scénář zde znamená odstavit současně všechny zdroje, generovat systému RESETB a pokusit se znovu „nastartovat“ s ohledem na běžnou spouštěcí posloupnost. Zabráníme tak dodávce energie pouze do některých částí systému, zatímco další by již nebyly pod napětím, příp. též nekoordinovanému spuštění po výskytu poruchy. Chybové stavy může v rámci návrhu sdílet i více obvodů LTC2937 a reagovat přitom na vzájemné potíže. Mezi spolupracujícími kanály tak bude v případě „zotavení“ zachována naprostá soudržnost. Struktura obvodu přitom nabídne řadu programovatelných reakcí, s nimiž v případě poruchy vyhoví mnoha různým konfiguracím systému.

Fáze s vypínací posloupností začíná spolu se změnou vstupu ON na nízkou úroveň. Hodiny spojované s pozicí v posloupnosti začínají znovu odpočítávat s cílem vypínat zdroje, nicméně veškerá nastavení zde budou na parametrech definovaných pro náběh napájení nezávislá. Kanály odpojujeme v libovolném sledu, přičemž s větším počtem čipů LTC2937 obsloužíme posloupnosti veškerých řízených zdrojů. Během fáze vypínání musí každý zdroj v rámci definovaného časového limitu klesnout pod svou prahovou úroveň, jinak dojde k vyhlášení chyby. Obvody LTC2937 dokáží stáhnout napájení také s volitelným proudovým zdrojem, kdy aktivně vybíjí větve s pomalou změnou.

Takt spojený s pozicí v posloupnosti stojí za pořadím založeným na událostech, kdy každá z událostí před pokračováním čeká na předchozí. Obvody LTC2937 rovněž podporují časové řízení posloupností a mohou se tak zapojit do systémů s napájecími hladinami aktivovanými v předem stanovených časových bodech. Konfigurovatelné registry pracují v režimu založeném buď na času, nebo událostech.

Nejlépe s LTpowerPlay

Rozšířené možnosti nastavení registrů hrají v případě obvodu LTC2937 významnou roli, stejně jako jednoduché ovládání, které vše doplňuje. Veškeré informace související s registry (status, debug) proto zobrazíme v praktickém prostředí grafického uživatelského rozhraní LTpowerPlay. GUI spolupracuje se všemi obvody pro systémové řízení napájení od Linear Technology, tedy včetně LTC2937, a využívá k tomu rozhraní I2C / SMBus. Konfigurace jednoho nebo i více obvodů LTC2937 se pak omezí na několik kliknutí myší. LTpowerPlay ukládá nastavení na PC a může je rovněž zapsat do paměti EEPROM obvodu LTC2937. V rámci GUI si při ladění také zobrazíme všechny detaily odkazující na selhání systému. Zachytíme zde přepětí či nedostatečné napětí kteréhokoli zdroje nebo např. potíže s časováním. Vznikne-li chyba, umožňuje zase rozhraní převzít kompletní řízení nad restartovaným systémem. Přibližuje chování zdroje v každé fázi návrhu, od začátků přes konfiguraci nebo ladění až po samotný provoz.

Obr. 4 Grafické uživatelské rozhraní LTpowerPlay zobrazuje veškeré informace z registrů (status, debug) na jednom přehledném místě. Jeden nebo i více obvodů LTC2937 tak nakonfigurujeme několika kliknutími myší. LTpowerPlay ukládá nastavení na počítači a také je zapisuje do paměti EEPROM integrovaného obvodu

Závěr

Obvody LTC2937 zjednodušují řízení posloupností a také dohled nad napájením. Na desce přitom kompletní systém zabere jen velmi malou plochu. Bude flexibilní, konfigurovatelný a díky své paměti EEPROM také autonomní. Pracovat může samostatně, ale i ve spojení s dalšími čipy obrovského systému, kde bez potíží obslouží až tři stovky napájecích zdrojů.