Vnější napětí na výstupu zdroje bez přivedeného vstupu. Jak na to?

V řadě průmyslových systémů, např. z oblasti testování a měření či automatizace budov, je běžné, že po osazení desky plošného spoje musíme naprogramovat procesor. Ať již to bude pole FPGA (Field Programmable Gate Array), procesor DSP (Digital Signal Processor), nebo mikrokontrolér MCU, programování zde vyžaduje aktivaci určitých napětí v obvodu. Jeden ze způsobů jak takový systém napájet spočívá v přivedení běžného vstupního napětí, se kterým pak bude aplikace pracovat.

To však nemusí být z nejrůznějších důvodů možné a ani žádoucí – můžeme totiž potřebovat programovací napětí odlišné od toho systémového, příp. do hry ještě vstoupí bezpečnostní hledisko spojené s dodávkou energie ze stejného vstupního zdroje též do dalších subsystémů. V takových případech bývají žádaná napětí přiváděna rovnou na výstupy systémových zdrojů napájení. Provoz snižujícího (step-down, buck) měniče s napětím na jeho výstupu a bez přítomnosti vstupního napětí však znamená atypický případ hodný zvláštní pozornosti. Vysvětlíme si proto hlavní příčiny, které mohou vývojáře znepokojovat, a zároveň v článku ukážeme, jakými způsoby vše řešit.

Typický scénář

V testovacích a měřicích aplikacích můžeme obvod MSP430G2955 provozovat na 1,8 V, protože takové napětí již v systému máme. Nicméně k programování jeho paměti typu Flash potřebujeme přinejmenším 2,2 V. V aplikacích využívajících napětí menší než 2,2 V proto musíme k tomuto účelu dočasně zvednout úroveň napájecího napětí právě na minimálních 2,2 V. V prostředí výrobního testování, kde bude paměť zpravidla též programována, je obvykle nejjednodušším řešením dodat 2,2 V pro napájení mikrokontroléru MSP430™ z externího zdroje. Blokový diagram takového případu vidíme na obr. 1.

V některých aplikacích pro automatizaci budov vylučuje potřebu vyšších programovacích napětí novější technologie paměti FRAM – např. v rámci rodiny obvodů MSP430FR5969. Ale i v případě, bude-li napájecí napětí MSP430 v koncové aplikaci nastaveno nad minimálně vyžadovanou úrovní programovacího napětí, může být z bezpečnostních důvodů na výstupu požadováno právě vnější napětí, tzn. místo toho, abychom na vstup přiváděli hlavní systémové napětí, se kterým bychom danou hladinu generovali s využitím již osazeného DC/DC měniče.

Bude-li hlavní napájecí napětí např. tvořeno střídavým síťovým napájením, může jeho přivedení do systému ještě ve výrobě, kdy nemáme aktivní veškeré bezpečnostní mechanizmy, znamenat pro obsluhu nebezpečí. Stejně tak může spuštění celého zařízení s motory či vyhřívanými prvky aktivovat zmíněné subsystémy riskantním způsobem. Přivedení vnějšího napětí je tedy stále běžným způsobem jak zajistit programování mikrokontroléru.

V obou zmiňovaných případech, a také mnoha dalších, „vnímá“ napájecí zdroj zajišťující dodávku energie do procesoru napětí na svém výstupu. Protože budou procesory běžně využívat nízká napájecí napětí s úrovní klesající hodně pod obvyklých vstupních 5 V, setkáme se zde zpravidla s topologií snižujícího měniče.

Zvláštní situace vyžaduje rozvahu

Přivedeme-li napětí na výstup snižujícího měniče bez napětí na jeho vstupu, může se napětí zapojené na výstup objevit stejně tak i na vstupu. Pokud se zrovna nejedná o speciální integrované obvody navržené tak, aby blokovaly zpětný tok proudu z výstupu zpět na vstup, objeví se napětí přiváděné na výstup na vstupu díky vestavěné diodě MOSFETu na vyšší straně napájení. Zmíněnou cestu proudu vidíme na obr. 2. Pro součástku, která kvůli typům zapojení, jež podporuje, takto proud nepovede, odkazujeme na dokumentaci obvodu TPS62750.

Takže ještě jednou. Přivedeme-li na výstup měniče napětí bez současné přítomnosti napětí na jeho vstupu, objeví se výstupní napětí na vstupu díky zabudované diodě MOSFETu na vyšší straně napájení. Jakmile jsme porozuměli této základní skutečnosti, můžeme nyní připojit celkem sedm nejčastějších okruhů k zamyšlení nad konkrétní aplikací.

1) budou napájeny všechny obvody připojené ke vstupu

Protože se nám výstupní napětí objevilo na vstupu, setkají se s tímto napětím stejně tak i všechny další součástky připojené ke stejnému uzlu. Musíme se postarat o to, aby byl zmíněný stav přijatelný pro každý z těchto prvků a rovněž aplikaci jako celek. Další subsystémy totiž mohou obdržet napětí dostatečné k jejich aktivaci. Takovému stavu ale můžeme zabránit sériově zapojenou diodou na vstupu, přesně jak to zachycuje obr. 3. Přiváděné napětí bude rovněž blokovat dioda v sérii s výstupem, která však stojí za změnami na zátěži z titulu napěťového úbytku na přechodu, pokud však nevyužijeme zapojení jako na obr. 4.

2) integrovaným obvodem teče proud opačným směrem

Vzhledem k tomu, že je vstup napájen z výstupu, protéká součástkou do dalších obvodů připojených ke vstupu opačně orientovaný proud. Takový zpětný proud bychom ale měli standardně udržovat pod přípustnou úrovní proudu tekoucího jinak integrovaným obvodem v přímém směru. Např. univerzálně řešený obvod pro průmyslové aplikace, TPS62097, vykáže jmenovité zatížení 2 A. Stejně tak by proto nemělo docházet ke zkratu vstupního napětí, protože by to znamenalo nadměrné proudové zatížení.

Vynásobíme-li vše napěťovým úbytkem mezi výstupem a vstupem integrovaného obvodu, vytváříme zpětným průchodem proudu výkonnou ztrátu, a to včetně odpovídajícího vzestupu teploty. Vzhledem k tomu, že má zabudovaná dioda MOSFETu na vyšší straně napájení v propustném směru poměrně vysoký úbytek napětí, mohou být ztráty docela vysoké. Musíme tedy udržet teplotu integrovaného obvodu v předepsaných mezích. Rovněž nám může pomoci sériově zapojená vstupní dioda.

3) aktivní obvod odebírá proud

Ať již to způsobí řídicí signál, nebo spojení s VIN, které je dle bodu č. 1 rovněž na vysoké úrovni, bude-li na aktivačním vývodu EN integrovaného obvodu přítomna vysoká úroveň, struktura je aktivní, a odebírá tudíž proud. Máme-li přivedené napětí na výstupu nad nastavenou úrovní výstupního napětí a režim pro modulaci PFM je povolen, protéká obvodem klidový proud IQ, který obvykle dosahuje desítek μA. Pokud se však přivedené napětí na výstupu nachází pod nastaveným bodem a odpovídající napětí na vstupu svou úrovní převýší podpěťový zámek obvodu UVLO (under-voltage lockout), integrovaná struktura obvykle vstupuje do 100% režimu, ve kterém se pokouší zvýšit výstupní napětí na požadovanou hladinu. V takovém módu již ale bude proudový odběr mnohem vyšší – typicky v řádu mA. [1] Měříme-li v případě takto přiváděného napětí proudový odběr, který dále využíváme k výrobnímu testování typu vyhovuje – nevyhovuje, musíme s tím počítat. Jednoduchým řešením je prostě integrovaný obvod „zakázat“.

4) proud může odebírat i „zakázaný“ obvod

V případě integrovaných obvodů s vestavěnou funkcí vybíjení výstupu dochází při jejich zakázání k proudovému odběru z výstupu. V závislosti na konkrétním provedení se může jednat o docela vysoké proudy. Znamená-li proud při vybíjení výstupu potíže, měl by být integrovaný obvod povolen. Obvykle totiž trasu vybíjejícímu proudu přerušit nedokážeme. Jindy zase můžeme zvolit rovnocenný obvod, ale bez funkce vybíjení.

5) dovolená napětí nesmíme překročit

Přivádíme-li na výstup integrovaného obvodu napětí, musíme se ujistit, že u žádného pinu nepřekračujeme povolený rozsah. Platí to zejména u připojených napětí, která budou větší než nastavený výstup; zkontrolovat potřebujeme vývody VOUT, VOS a FB. Nakonec ještě ověříme, zda výstupní napětí setrvává v rámci mezních hodnot obvodu, a to i v případě zapojení tzv. „natvrdo“. [2] Místo okamžitého zapojení může být přitom u výstupního napětí požadován jeho pozvolný náběh.

Na obr. 4 vidíme příklad ochranného obvodu v zapojení se zvyšujícím (step-up, boost) měničem. Vývod VOUT zde před přepětím chrání dioda zapojená v sérii s výstupem. V případě obvodu TPS61240 bude vývod FB přizpůsoben s ohledem na vyšší napětí, než je tomu u pinu VOUT, a může tudíž ustát okamžité připojení VOUT, je-li použita ochranná dioda. Zmíněná dioda rovněž vylučuje jakýkoli zpětný tok proudu, resp. přítomnost vnuceného napětí zvnějšku.

Přivedením napětí na výstup se konečně může zdát, že došlo k překročení napěťového limitu vývodu SW zachyceného v tabulce absolutních maxim řady integrovaných obvodů – viz obr. 5. Výstupní napětí na pinu SW pozorujeme díky indukčnosti.

Vzhledem k tomu, že nepřivádíme vstupní napětí, dá se předpokládat překročení povoleného napětí vývodu SW vůči VIN. Jak jsme již ale ukázali v bodu č. 1, máme VIN s VOUT provázáno přes zabudovanou diodu MOSFETu na vyšší straně napájení a indukčnost. V řadě případů proto absolutní maximum, resp. limit, stejnosměrného napětí nepřekračujeme. Mimoto, překročení zmíněného specifického limitu nutně neznamená zničení integrovaného obvodu. Jde spíše o varování, že v závislosti na způsobu užití napětí může dojít k poškození struktury ve smyslu bodu č. 2 popsaného výše nebo též v pramenu [3].

6) zakažme snižujícímu měniči zvyšující režim

Pro integrované obvody s režimem vyhrazeným vynucené pulzně – šířkové modulaci PWM nebo vývodem MODE, např. TPS62097, bude nezbytné speciálně zkontrolovat, zda nejsou naplněny podmínky pro zvyšující režim. Předpoklady jsou následující: máme povolenu činnost s vynuceným režimem PWM, stejně tak je aktivován též integrovaný obvod, přiváděné napětí na výstupu svou velikostí převyšuje nastavenou hladinu a také zde máme nedostatečnou zátěž nebo odběr na vstupu umožňující odvod dodávané energie.

Ve zvyšujícím režimu integrovaný obvod odvádí přiváděné výstupní napětí ve snaze dostat je zpět na požadovanou úroveň. Protože máme povolen režim s vynucenou PWM, dochází při splňování tohoto úkolu ke spínání. Aktivujeme-li však místo toho režim s PFM, obvod pro výstupní napětí nad nastavenou úrovní prostě přestává spínat. Nicméně v rámci režimu s vynucenou PWM obvod pracuje se zpětným proudem a přenáší energii z přiváděného výstupního napětí zpátky na svůj vstup. Pro případ nedostatečné zátěže nebo odběru na vstupu toto napětí poroste, dokud není překročeno přípustné vstupní napětí obvodu a nedojde k jeho přetížení. Zabránit zvyšujícímu režimu však můžeme dvěma jednoduchými způsoby: zakázáním obvodu nebo též jeho režimu s vynucenou PWM.

7) nezapomínejme na funkci vývodu power-good (PG)

Výstup PG nemusí být v závislosti na úrovni přiváděného výstupního napětí ve vztahu k nastavené hladině integrovaného obvodu a také stavu vývodu EN v požadovaném nebo očekávaném stavu. To pak může vyústit v chybná hlášení o stavu systému, příp. též ovlivňovat další hladiny v případě řízení posloupnosti. Protože se však u vývodu PG obvykle jedná pouze o výstup s otevřeným kolektorem, dokážeme zpravidla zajistit požadované signály a napětí systému v náležitých mezích prostřednictvím dalších testovacích bodů.

Závěr

Přivedení napětí na výstup snižujícího měniče bez přítomnosti jeho vstupního napětí si žádá některé konkrétní analýzy, s nimiž zajistíme bezpečnost systému a jeho součástí, stejně jako náležitou funkci takového celku. Protože se však jedná o neobvyklý přístup, mohou se napětí, a také činnost, od běžného provozu systému docela odlišovat. Pokud však s touto konfigurací počítáme již ve fázi návrhu, a také ji analyzujeme, bude snadné přidat vhodné diody, propojky nebo další testovací body nezbytné k dosažení náležité funkce spolu s bezpečností systému, zatímco se bude v takovém režimu nacházet.