Control de encendido y apagado de secuencias de potencia

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Generalmente, los microprocesadores, FPGA, DSP, conversores de analógico a digital y sistemas en chip (SoC) funcionan desde múltiples carriles de voltaje. Para prevenir bloqueos, problemas de contención del bus y picos de corriente de irrupción, los diseñadores necesitan que las guías de alimentación se enciendan y se apaguen en un orden específico. Este proceso se conoce como control de secuencia de potencia o secuenciación de potencia, y existe una variedad de soluciones disponibles para llevarlo a cabo de manera efectiva.

Los complejos dispositivos que requieren secuenciación de voltaje pueden poseer guías de voltaje para el núcleo y los bloques análogicos que necesitan encenderse antes que las guías de E/S digitales. Algunos diseños pueden necesitar secuencias diferentes pero, en cualquier caso, se requieren secuencias de encendido y apagado adecuadas para evitar problemas.

Los múltiples secuenciadores, monitores y supervisores de potencia que han surgido para proveer una mejor aceleración y apagado también han adoptado técnicas para monitorear el voltaje y los niveles de corriente, a fin de calcular los niveles de potencia y proteger los complejos circuitos integrados y subconjuntos eléctricos.

Este artículo explicará los detalles de la secuenciación de potencia y discutirá las especificaciones y las técnicas de secuencias de potencia, y cómo aplicar secuenciadores de potencia para conseguir tiempos de alimentación de corriente y secuenciaciones específicos.

¿Por qué preocuparse por la secuenciación de potencia?

Los FPGA y los circuitos integrales (IC) complejos similares se desglosan internamente en muchos dominios de potencia. Muchos de estos IC requieren un orden específico cuando se enciende o se apaga el dispositivo. Por ejemplo, los FPGA generalmente alimentan el núcleo lógico, la E/S y los circuitos auxiliares por separado.

El núcleo, generalmente, abarca el procesador y la base lógica del FPGA. Este dominio está caracterizado por un voltaje bajo y un perfil de potencia de corriente alta. Debido al voltaje extremadamente bajo, hay requerimientos de precisión muy altos y, debido a la naturaleza dinámica de la carga digital, el rendimiento transitorio debe ser excelente. La E/S representa las varias entradas y salidas del FPGA. Los requerimientos de voltaje dependen del tipo de interfaz. En general, los niveles de voltaje serán mayores que los del núcleo. La demanda de corriente varía según el tipo, número y velocidad de la E/S.

El circuito auxiliar comprende los circuitos analógicos sensibles al sonido en los FPGA, tales como los bucles de enganche de fase (PLL) y otros elementos de circuitos analógicos. Los requerimientos actuales son razonablemente bajos, pero la fluctuación de voltaje es un problema importante y debe minimizarse. La fluctuación de voltaje en la secciones analógicas pueden dar como resultado inestabilidad y ruido de fase excesivo en los PLL, y respuestas falsas en los amplificadores.

Poner en marcha las fuentes de potencia de cada dominio en el orden incorrecto puede causar problemas y resultar en un perjuicio para el FPGA. Hay que considerar que la sección de E/S está basada en la transmisión y la recepción de datos en un bus de tres estados. El núcleo controla la E/S. Si el dominio de E/S se enciende antes que el núcleo, los pines de E/S terminan en estados indeterminados. Si se encienden los componentes externos del bus, puede que se genere contención de bus, lo que resultaría en corrientes elevadas en los controladores de E/S. Es por esto que el núcleo debería ponerse en marcha antes que el dominio de E/S. Es importante consultar las especificaciones del proveedor para los FPGA, a fin de conocer las secuencias recomendadas de aplicaciones de potencia y apagado, así como el máximo de voltaje diferencial entre guías de alimentación.

De manera similar, los dispositivos como amplificadores operacionales tienen dos dominios de potencia: el dominio analógico y el dominio digital. El dominio digital provee potencia a los indicadores de estado del sistema de diagnóstico de los amplificadores para detectar los estados de temperaturas demasiado altas y sobrecorriente. El dominio digital también da soporte a la función de habilitación/apagado del amplificador. Las especificaciones del dispositivo requieren que el dominio digital se encienda antes que la fuente analógica para que los indicadores de estado funcionen antes que el dominio analógico esté en marcha. Esto es para prevenir posibles daños en el dispositivo.

Metodología de secuenciación de potencia

Existen tres tipos comunes de secuenciación para guías de alimentación de último momento (Figura 1). La más común es aquella en la que las guías de alimentación se encienden primero, y luego se genera una demora antes de que se encienda la siguiente. La demora está configurada de modo que la primera guía llegue a regularse antes de que la segunda guía se encienda.

Diagrama de las tres técnicas para secuenciar fuentes de potencia

Figura 1: Tres técnicas para secuenciar fuentes de potencia. Sin importar qué técnica se utilice, los voltajes deben subir de manera uniforme. Si esto no se hace correctamente, puede que el dispositivo no inicie como corresponde debido a una inesperada baja en el voltaje durante el encendido. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La segunda técnica de secuenciación es ratiométrica. En esta técnica, las guías de alimentación se encienden en conjunto y alcanzan sus voltajes nominales al mismo tiempo. Esto requiere que el tiempo de alza de las guías sea proporcional al voltaje para que se pueda conseguir la regulación al mismo tiempo.

Puede que algunos dispositivos no toleren las diferencias instantáneas de voltaje que ocurren antes de que se llegue a la regulación. Esto puede llevar a que el dispositivo extraiga más corriente de una de las fuentes durante este período.

La tercera opción es el encendido simultáneo y minimiza las diferencias instantáneas de voltaje. Esta técnica reduce la escala y el período de estas tensiones. Una forma común de implementar este método es el encendido simultáneo, mediante el cual las guías de voltaje aumentan al mismo tiempo y con la misma frecuencia. La guía más alta, que suele ser la guía de voltaje de E/S, arranca después de que la guía de voltaje baja o el núcleo haya llegado a su valor final.

Sin importar qué técnica se utilice, los voltajes deben subir de manera uniforme. Si esto no se hace correctamente, puede que el dispositivo no inicie como corresponde debido a una inesperada baja en el voltaje durante el encendido.

De manera adicional, un arranque suave puede aplicarse para limitar la corriente de irrupción durante el encendido. Esta práctica limita la corriente durante el encendido, lo que permite una carga gradual de la capacitancia de la guía de alimentación en el arranque.

Generalmente, se especifica que los apagados de fuente de potencia ocurran en el orden inverso al del encendido.

La elección de la técnica de encendido o de apagado que se utilizará depende de las especificaciones del dispositivo.

Ejemplos de secuenciación de potencia

El encendido simultáneo es relativamente fácil de configurar. La salida de voltaje más alta está conectada a la(s) entrada(s) de lo(s) regulador(es) de voltaje bajo (Figura 2).

Gráfico del encendido simultáneo de las fuentes de 5 y 3.3 voltios

Figura 2: El encendido simultáneo de las fuentes de 5 y 3.3 voltios se consigue conectando los reguladores en cadena. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

En este ejemplo, la fuente de mayor voltaje es la de 5 voltios. Esto también se suministra al regulador de 3.3 voltios. Las salidas de 5 y 3.3 voltios se muestran mientras aumentan simultáneamente con un mínimo de diferencia en voltaje hasta llegar al punto de regulación de la fuente de 3.3 voltios.

Esta técnica secuencial se implementa de mejor manera utilizando un circuito de secuencia integrado como el LM3880 de Texas Instruments. El LM3880 es un secuenciador de potencia simple que puede controlar múltiples reguladores independientes o fuentes de potencia usando sus entradas de activación.

Cuando se activa el LM3880, éste liberará de manera secuencial sus tres señaladores de salida con demoras individuales entre cada señal. Esto permitirá que las fuentes de potencia conectadas se enciendan. Durante el apagado, los señaladores de salida seguirán una secuencia inversa. Un ejemplo de diseño que utiliza el LM3880 se muestra usando el software WEBENCH Power Designer de Texas Instruments (Figura 3). Esta herramienta de software gratuita ayuda a que el ingeniero diseñe circuitos relacionados a la potencia, lo que provee esquemas, listas de materiales y resultados simulados. La figura muestra los esquemas y los gráficos, el activado y los tres señaladores de salida.

Los tiempos de demora y el orden de secuencia en el LM3880 están fijados, pero son adaptables de fábrica si se usa el EPROM incorporado. Texas Instruments también ofrece la opción de programar una demora para el capacitor en el secuenciador LM3881.

Imagen del WEBENCH Power Designer display de Texas Instruments

Figura 3: Muestra de WEBENCH Power Designer de Texas Instruments para los esquemas de diseño y gráficos de señaladores de entrada y salida de activación del LM3880 para el control de reguladores externos o fuentes de potencia. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Un dispositivo de control de potencial ligeramente más sofisticado es el secuenciador LTC2937 de Analog Devices. Al igual que el LM3880, el LTC2937 puede controlar el orden y la demora de hasta seis fuentes de potencia o reguladores (Figura 4).

El diagrama de LTC2937 de Analog Devices controla la secuencia de hasta seis fuentes

Figura 4: El LTC2937 puede controlar la secuencia de hasta seis fuentes de potencia al tiempo que monitorea el voltaje de las guías de alimentación. Se pueden sincronizar múltiples dispositivos mediante un solo cable que controla hasta 300 fuentes de potencia. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Además de secuenciar hasta seis guías de alimentación, también monitorea el voltaje en dichas guías para detectar una subida o una bajada de voltaje, caídas de potencia y retrasos en el encendido. En caso de un error, el dispositivo puede reprogramarse para apagar o reiniciar las fuentes. Las condiciones de error se registran en el EEPROM interno. El LTC2937 puede programarse y controlarse por medio de I2C o SMBus. La programación es respaldada por el GUI software LTpowerPlay de Analog Devices. La EEPROM permite el funcionamiento autónomo sin software. Cuando un sistema requiere más de seis guías de alimentación, múltiples LCT2937 pueden funcionar en cadena para controlar hasta 300 fuentes.

Para procesadores multinúcleo complejos, FPGA y otros dispositivos con SoC, Texas Instruments provee el TPS650860, una unidad configurable de manejo de potencia de múltiples guías. Este circuito integrado individual, con un rango de voltaje de entrada que va de 5.6 a 21 voltios, contiene tres controladores de reducción, tres conversores de reducción, un disipador o regulador de caída baja (LDO), un regulador lineal, tres reguladores de entrada de bajo voltaje y tres interruptores de carga (Figura 5).

Diagrama en bloque funcional del TPS650860 de Texas Instruments (haga clic para agrandar la imagen)

Figura 5: Un diagrama en bloque funcional del TPS650860 de Texas Instruments muestra 13 salidas reguladas con completo control de su secuenciación. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El dispositivo tiene 13 salidas reguladas para abastecer las necesidades de la FPGA u otro dispositivo de carga.

El convertidor reductor incluye una fase de potencia incorporada mientras que los controladores reductores requieren una fase de potencia externa. Tanto los conversores como los controladores tienen entradas de detección de voltaje integradas para monitorear las fuentes de salida que pueden controlarse para la secuenciación. Los interruptores de carga incluyen control de velocidad de respuesta, lo que permite la programación de las guías asociadas a estos interruptores para cualquiera de los tres tipos de secuenciación, ya sea secuencial, ratiométrica o simultánea.

El TPS650860 se controla vía interfaz I2C, lo que otorga un control simple mediante un controlador integrado, o bien mediante un gestor de SoC asociado. Este circuito integrado para manejo de potencia ofrece flexibilidad de control de vanguardia.

Conclusión

Hay múltiples métodos para controlar el orden del encendido y apagado de potencia que varían desde los muy simple a los muy complejos. Ellos difieren en el número de guías de alimentación controladas, la precisión y el rango de las funciones de control así como también en el costo.

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Acerca de este autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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