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Aplicación de un planteamiento más eficaz para el control de varios rieles de tensión

El proceso de encender los diversos rieles de tensión que acompañan a los sistemas en chip (SoC), las matrices de compuertas programables en campo (FPGA) y los módulos integrados en el orden correcto puede ser muy enrevesado, y por ello los ingenieros necesitan especificar una solución idónea. Como se explica en este artículo, la tecnología de secuenciación moderna puede contribuir a simplificar esta tarea de numerosas formas.

Introducción:
Los diseños contemporáneos basados en procesador que utiliza el sector de los sistemas integrados exigen que la alimentación se suministre a tensiones diferentes. Además de tener valores diferentes, los rieles de tensión deben seguir una secuencia concreta al iniciarse: el núcleo del procesador, los periféricos relacionados, los buses de E/S (como LVDS, I2C, SPI, etc.) y los recursos de memoria. La secuenciación permite evitar el riesgo de corrientes de arranque elevadas que pueden dañar elementos delicados del subsistema durante el proceso de puesta en marcha.

La tendencia hacia el aumento de los niveles de integración ha supuesto que una mayor parte de la funcionalidad de un sistema integrado normalmente se incluya en un solo dispositivo SoC con el fin de reducir el espacio ocupado en la placa y el coste de la lista de materiales (BoM). Dichos SoC necesitan varios rieles de alimentación, cada uno con el nivel de tensión adecuado, para aplicarlos a las patillas asociadas. Aquellos no orientados a las arquitecturas SoC normalmente utilizarán la lógica programable y, cuando las FPGA tengan una magnitud considerable, los ingenieros tendrán que hacer frente a una complejidad de los rieles de alimentación similar (y, en algunos casos, superior). En ocasiones este planteamiento debe trasladarse a otros elementos situados en la placa, como los dispositivos discretos (MOSFET, IGBT, etc.), los sensores (dispositivos de imagen CMOS, magnetómetros, etc.) o los actuadores (controladores de motor, controladores de LED, etc.) que podrían necesitar líneas de tensión exclusivas.

Hasta una implementación relativamente sencilla de un sistema integrado puede contener una cantidad de rieles significativa (no es extraño que el número sea superior a 10). Se tendrán que adoptar las medidas de ingeniería necesarias para garantizar que se respeta la secuencia correcta: la salida suministrada por un regulador de alimentación debe alcanzar un nivel suficiente antes de que se activen los reguladores relacionados con otras líneas de tensión. Como es más sencillo medir con precisión la sincronización que la tensión, suele ser más eficaz adoptar un planteamiento basado en el tiempo, que se fundamenta en que el valor que se espera en un riel de tensión se logrará en un periodo predeterminado.

A pesar de que el tiempo que transcurre entre los encendidos de cada uno de los rieles suele ser muy breve (cuestión de milisegundos), existe la posibilidad de que sea elevado (varios segundos, de hecho). Si, por ejemplo, un componente electromecánico del sistema, como un calentador, necesita alcanzar su temperatura óptima antes de que se activen los siguientes elementos del sistema o si la unidad de procesamiento central debe finalizar un procedimiento de calibración, el tiempo necesario aumenta y el ingeniero de diseño debe ser consciente de ello.

Si los conversores de alimentación discretos integrados en el sistema incorporan patillas de activación y salidas de alimentación correctas, los ingenieros pueden usar la señal de alimentación correcta para garantizar que el siguiente conversor de la secuencia solo se pondrá en marcha cuando el riel que le precede haya logrado un valor adecuado para que esa señal se siga activando. Si uno o varios conversores no disponen de entrada de activación, los ingenieros pueden conseguir la secuenciación usando la señal de encendido para controlar la compuerta de un MOSFET colocado en serie con la salida.

En aquellos casos en los que no haya acceso a una señal de alimentación correcta, los ingenieros podrían necesitar circuitería adicional para prestar la ayuda necesaria. Gracias a dicha ayuda, la tensión de salida de un conversor de alimentación puede muestrearse para generar una señal de activación para otro conversor de alimentación. Una de las alternativas al muestreo de tensión es el uso de circuitería de sincronización. No obstante, en cualquiera de estas situaciones se necesita un número de componentes bastante elevado, lo que conlleva una lista de materiales cara, una ocupación importante del espacio disponible en la placa de circuito impreso y la necesidad de asignar recursos de ingeniería adicionales, por no mencionar los problemas asociados al hecho de que las disposiciones discretas definan una secuencia inversa al apagar el sistema. En lugar de adoptar un enfoque discreto, puede que a los ingenieros les resulte más adecuado plantearse una secuenciación de alimentación integrada o una alternativa basada en PMIC.

Con vistas a una implementación sencilla, se puede especificar el LM3880 de Texas Instruments (en la ilustración 1 se muestra un diagrama de bloques funcional de este componente) con fines de secuenciación de la alimentación (el procedimiento de apagado del dispositivo sigue la misma secuencia y los mismos intervalos de tiempo del encendido, pero en orden inverso). Gracias a sus tres marcadores de salida de drenaje abierto (que al comenzar el encendido se mantienen bajos), dispone de la capacidad necesaria para generar señales de activación para hasta tres rieles de tensión, con la opción de colocar en cascada dos CI secuenciadores para tener seis rieles secuenciados disponibles. El PMIC incorpora su propia entrada de activación de precisión, que se conecta a un comparador interno con una referencia de 1,25 V, con el cual los ingenieros pueden disponer que la secuencia de encendido comience en cuanto se reciba una señal lógica o cuando otro riel de tensión alcance un nivel predeterminado concreto. Se puede acoplar un condensador a la entrada de activación para incluir un retraso.
MRA081 Fig1 wCuando la activación pasa a ser válida, se confirma el primer indicador de salida tras un retardo preestablecido (que se programa en la EPROM durante el proceso de producción OEM). A continuación, pasa el mismo tiempo antes de que se confirme el segundo indicador, y lo mismo hasta que se confirma el tercero y último. Se puede elegir entre seis designadores de sincronización preestablecidos que ofrecen retardos que van de 2 ms a 120 ms.

El Maxim MAX16029 es un dispositivo de supervisión que también ofrece un retraso de tiempo ajustable mediante condensador. Se puede usar para secuenciar hasta cuatro rieles de tensión con un solo PMIC. Este fabricante ofrece, además, dispositivos de secuenciación que permiten a los ingenieros definir la sincronización mediante interfaces PMBus y con ello conectar en estrella varias unidades para hacer frente a grandes cantidades de rieles de tensión.

El hecho de que la tecnología de secuenciación incorpore varios elementos de alimentación permite a los ingenieros beneficiarse de importantes reducciones en el nivel de utilización de la placa, así como de sistemas globalmente menos complejos. El PMIC TPS65916 de Texas Instruments tiene cinco conversores de descenso de tensión configurables integrados que se encargan de alimentar el núcleo del procesador, así como las diversas reservas de memoria y E/S presentes en una amplia variedad de microprocesadores. Como admiten escalado de tensión adaptable, estos conversores son capaces de ofrecer un funcionamiento con un consumo eléctrico racional que no incidirá en la alimentación asignada al sistema. Además, el PMIC también incorpora cinco controladores de desconexión de baja corriente para hacer frente a dominios de baja tensión o bajo ruido. El ingeniero puede configurar las secuencias de encendido y apagado desde la memoria programable una sola vez en función de sus necesidades.MRA081 Fig2 w

Las circunstancias pueden obligar a una secuenciación más complicada en la que deben tenerse en cuenta más rieles de voltaje. En tales casos, la secuenciación de encendido y apagado se debe controlar de un modo más sofisticado, dado que puede no bastar con especificar un secuenciador sencillo o un PMIC de uso general, sino que se necesitarán las completas posibilidades de programación que ofrece una unidad de microcontrolador (MCU).

La conocida gama PIC16F1XXXde Microchip (mostrada en la ilustración 2) pone al servicio de los ingenieros una solución de secuenciación de la alimentación capaz de gestionar numerosos rieles de tensión. Su firmware integrado, programable por el usuario, se puede usar para definir la sincronización necesaria. El dispositivo ofrece además amplias posibilidades de ajuste de los criterios de alimentación correcta, así como tiempos de rampa ascendente y descendente de la corriente. El conversor de analógico a digital de 10 bits digitaliza cada riel 16 veces, para calcular después un valor medio que permita evaluar el rendimiento con precisión. Las capacidades de diagnóstico de la MCU avisan rápidamente si un suministro falla.

 

Mouser Mirko BernacchiResumen
Como hemos visto, es fundamental asegurarse de que se emplea la secuencia adecuada durante el encendido o apagado de la circuitería electrónica. De este modo se mantiene la integridad operativa a largo plazo y no se pone en riesgo la fiabilidad del sistema. Las opciones disponibles van desde secuenciadores básicos hasta PMIC con más funciones y dispositivos MCU totalmente programables. Dada la amplia variedad de opciones que ofrece el mercado, es simplemente cuestión de evaluar cuál es el método de secuenciación más idóneo para los objetivos de diseño principales (ya sea obtener el máximo rendimiento, reducir el precio de la lista de materiales, resolver limitaciones de espacio, contener el consumo eléctrico del sistema, etc.) y después obtener los dispositivos necesarios.

Autor: Mirko Bernacchi, Mouser Electronics

 


 
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