Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №7

Модули электропитания с функцией автоподключения

Ерш Владимир


Возможность автоподключения (по терминологии Texas Instruments Incorporated — Auto?Track™) новая функция, присущая модулям электропитания последнего поколения (например, ряду PTHxx). Она предназначена для уменьшения количества элементов внешней схемы, требуемых для организации необходимой последовательности включения и выключения напряжения модулей электропитания.

Способность к последовательному включению и выключению нескольких напряжений питания в сложных логических и смешанных устройствах стала важным требованием для разработчиков систем электропитания, так как большинство современных логических устройств, включая DSP, ASIC, FPGA и микропроцессоры, обычно требуют не менее двух питающих напряжений. Обычно это низковольтное высокоскоростное логическое ядро и стандартное напряжение питания интерфейса входа-выхода и системных устройств типа памяти, АЦП и дополнительной логики.

Последовательность включения питания может быть осуществлена множеством способов. Выбор в значительной степени зависит от временных ограничений и от допуска на разность между напряжениями во время процесса включения и выключения питания. Ограничения на разработчика системы электропитания накладываются характеристиками соответствующих устройств. Невыполнение этих ограничений может привести к недопустимым сочетаниям напряжений и даже к «защелкиванию» выходов портов ввода-вывода. Это может привести если и не к немедленному выходу из строя, то к скрытому повреждению устройства. В последнем случае надежность устройства не может быть гарантирована.

Одновременное включение питания

Одной из наиболее широко используемых последовательностей включения питания является одновременная подача всех напряжений на схему (рис. 1). Напряжения питания на ядро и интерфейс входа-выхода должны быть поданы одновременно и нарастать с одной и той же скоростью. Эти два напряжения растут по одной траектории до тех пор, пока основное питание, меньшее по величине, не достигнет своего номинального значения. Более высокое напряжение интерфейса входа-выхода продолжает повышаться до тех пор, пока так же не достигнет свего максимума. Из многих альтернативных методов метод одновременного включения принят для большинства систем с двойным напряжением питания, так как он позволяет значительно уменьшить текущую разность между двумя напряжениями в процессе включения питания, что, впрочем, не делает его универсальным для всех случаев. Как правило, изготовители устройств не определяют, какой метод включения должен использоваться; а только задают значения напряжений и временные ограничения, которые должны быть выдержаны в процессе включения.

Хотя этот метод используется наиболее широко, его реализация достаточно трудна. Он требует, чтобы выходные напряжения нескольких устройств, вырабатывающих напряжения питания, во время процедуры включения питания нарастали по одной траектории. Схемы управления не только добавляют лишние компоненты, но также требуют, чтобы разработчик системы электропитания был близко знаком с требованиями, предъявляемыми к конкретной схеме. В то время как их реализация не является проблемой при разработке нестандартной системы электропитания, для систем электропитания с готовыми модулями эти требования лишь добавляют лишний уровень сложности и головную боль.

Принципы функционирования автоподключения

Предполагается, что функция автоподключения будет включена во все версии нового ряда сменных модулей электропитания. В состав изделий с этой функцией включена дополнительная схема, которая позволяет модулю временно управляться от внешнего источника сигнала. Управляющее напряжение может быть главным линейно нарастающим напряжением для всей системы, выходом другой схемы электропитания или формироваться собственной RC-цепочкой модуля.

Как работает автоподключение

Для управления выходным напряжением модуля в диапазоне от нуля до его номинального значения используется управляющий вход «Track». В пределах этого диапазона выходное напряжение модуля будет в точности повторять напряжение, прикложенное к его входу «Track». Однако после того как напряжение на входе «Track» превысит номинальное напряжение модуля, то оно перестает влиять на уровень выходного напряжения, несмотря на свой рост. Так например, если на вход «Track» 2,5-вольтного регулятора будет подано напряжение 1 В, то выходное напряжение на выходе также будет равно 1 В, но если напряжение на входе повысится до 3 В, выходное напряжение модуля не станет больше 2,5 В.

Поскольку выходное напряжение модуля просто повторяет уровень на входе «Track», оно способно «отследить» фактически любой источник напряжения во время последовательности включения питания. Для удобства применения к каждому входу «Track» может быть подключена собственная RC-цепочка, которая вырабатывает линейно нарастающее управляющее напряжение от исходного входного.

Типичные примеры применения

Функция автоподключения позволяет применять способ одновременного включения напряжений любого количества модулей. В этом случае входы управления «Track» двух или более модулей просто подключаются вместе (рис. 2). То есть на вход «Track» модулей подается одно и то же управляющее линейно нарастающее напряжение, формируемое коллективной RC-цепочкой, кроме этого, такое включение позволяет управлять всеми модулями единственным транзистором Q1.

Для инициализации процесса включения питания на вход «Track» сначала подают нулевой потенциал. Для обеспечения правильной работы внутренней логики модуля он должен удерживаться не менее 20 мс после выхода входного напряжения на рабочий режим. Высокий логический уровень, поданный на затвор Q1, открывает его и удерживает вход «Track» на требуемом уровне. Необходимо отметить, что даже после того, как входное напряжение достигнет нормы, выход всех модулей будет иметь нулевое напряжение до тех пор, пока Q1 не закроется.

После задержки Q1 должен быть закрыт подачей низкого уровня на его затвор. Это автоматически вызовет рост напряжения на входе «Track» до уровня входного напряжения модулей. В течение этого периода выходное напряжение каждого модуля будет повторять общее напряжение управления, то есть они будут расти в унисон друг с другом до достижения каждым своего номинального значения.

На рис. 3 показана осциллограмма выходных напряжений схемы рис. 2 после подачи управляющего напряжения (переход от высокого уровня к низкому). Vo1 и Vo2 представляют собой выходные напряжения двух модулей, U1 (3,3 В) и U2 (2,0 В) соответственно. Видно, что рост выходных напряжений Vo1 и Vo2 идет по одной траектории согласно требованиям метода одновременного включения питания.

Хотя и не всегда строго, эта схема обеспечивает требования метода одновременного выключения. Выключение — противоположное действие по отношению к включению, и оно достигается снижением управляющего напряжения на входе «Track» до нулевого потенциала. Важное ограничение состоит в том, что на входе модулей должно присутствовать соответствующее напряжение до тех пор, пока последовательность выключения не закончится. Также требуется, чтобы Q1 выключался относительно медленно. Это необходимо для того, чтобы управляющее напряжение на входе «Track» не падало быстрее, чем допустимая скорость отработки функции автоподключения, которая составляет 10 В/мс. R1 и C1 (рис. 2) определяют скорость, с которой Q1 может снижать напряжение управления. Значения 100 кОм и 0,047 мкФ задают скорость спада приблизительно равную 0,6 В/мс.

Последовательность выключения инициализируется переходом с низкого уровня на высокий на входе управления. На рис. 4 показана осциллограмма выходных напряжений Vo1 и Vo2 после подачи этого сигнала. Хотя управляющее напряжение на входе «Track» начинает уменьшаться сразу же, после подачи сигнала выключения, наблюдается небольшая задержка по времени, прежде чем напряжение на выходе модуля с самым высоким значением в системе, так же начнет уменьшаться. Это обусловлено тем, что управляющее напряжение на входе «Track» должно упасть от уровня входного напряжения модуля, до его номинального выходного значения. Поскольку вход «Track» осуществляет управление падением выходного напряжения, только когда уровень на нем станет ниже номинального напряжения модуля, то соответствующая последовательность отключения модулей будет произведена автоматически.

Одно из самых мощных достоинств функции автоподключения — ее гибкость. Вход «Track» любого модуля питания будет отслеживать любое напряжение до скорости нарастания или спада 10 В/мс. Это позволяет использовать выходное напряжение другого модуля электропитания, даже модуля, который не поддерживает режим автоподключения, в качестве управляющего. Для осуществления этой возможности только и требуется, чтобы входы «Track» модулей с более низкими выходными напряжениями были подключены к выходу модуля с самым высоким выходным напряжением. На рис. 5 показано схемное решение, которое иллюстрирует это положение. В этом случае U1 (PT5801) управляется по входу «Отключение», то есть его выходное напряжение не может быть включено, а есть возможность только его выключения.

На рис. 6 приведена осциллограмма процесса включения питания для схемы рис. 5. Здесь TPS3838K33 (U3) — микромощный супервизор, используемый и для обнаружения рабочего уровня входного напряжения и для обеспечения требуемой задержки включения U2. Комбинация конденсатора C1 и супервизора U3 задерживает снятие нулевого выключающего сигнала U1 приблизительно на 20 мс после выхода входного источника на рабочий режим. После того как будет снят сигнал запрещения работы U1, его выходное напряжение начнет расти до номинального уровня. Скорость роста ограничена только внутренней схемой плавного включения модуля — приблизительно 0,65 В/мс, что вполне достаточно для модулей c функцией автоподключения для обеспечения требуемой скорости отслеживания напряжения.

Как было сказано выше, последовательность выключения имеет то же самое ограничение, что и включения — уровень входного напряжения должен быть достаточен для стабильной работы всех модулей с функцией автоподключения в течение всей последовательности выключения. Это ограничение заставляет проектировать систему электропитания таким образом, чтобы скоординированное отключение электропитания производилось при всех обстоятельствах, независимо от того, инициализировано оно планово или в результате отказа. Супервизор (U3) выключит U1 по входу «Отключение» только после того, как входное напряжение уже начало падать, поэтому данный режим не может использоваться для инициализации процедуры выключения в произвольное время. Для этого требуется применение отдельного транзистора Q1, включенного параллельно с U3, который способен выключить U1 при любом уровне входного напряжения. Когда U1 выключается, его выход переводится в третье состояние. Это означает, что модуль не будет служить ни источником, ни являться нагрузкой для выходных конденсаторов. Таким образом, выходное напряжение будет падать со скоростью, определяемой емкостью выходных конденсаторов и сопротивлением нагрузки. Как только выходное напряжение U1 упадает ниже номинального напряжения U2, запускается функция автоподключения и выходное напряжение U2 начинает уменьшаться, в точности повторяя траекторию выходного напряжения U1.

На рис. 7 приведена осциллограмма процесса выключения схемы, изображенной на рис. 5. Для обеспечения гарантии отслеживания выходного напряжения другого модуля управляющее напряжение не должно изменяться быстрее, чем допустимая скорость нарастания или спада выходного напряжения модуля, то есть 10 В/мс, иначе появится чрезмерная разность напряжений между шинами питания. Ограничение скорости приводит к необходимому минимуму емкости (100 мкФ/А) на выходе U1. Следует заметить, что конкретная модель модуля с самым высоким выходным напряжением в системе должна быть выбрана так, чтобы при его включении, через выход модуля, не протекал бы обратный ток.

Заключение

Автоподключение — функция, включенная во все модели нового семейства сменных модулей электропитания PTHxx от TI. Эта схемотехническая особенность дает возможность выходному напряжению модулей отслеживать уровень напряжения на своих управляющих входах до значения ниже их номинальных напряжений что позволяет легко использовать модули с разными выходными напряжениями, для организации одновременной последовательности включения и выключения элементов системы электропитания. Функциональные возможности не ограничиваются только двумя модулями или выходными напряжениями, как это было показано выше, возможно использование любого количества модулей с различными выходными напряжениями, например, 3,3, 2,5 и 1,5 В.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке