Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Włączanie i wyłączenia układów scalonych.

ghost666 05 Mar 2015 12:16 2238 0
  • Większość dzisiejszych układów scalonych zawiera w swojej strukturze wyrafinowane elementy, zapewniające im uruchamianie się w ustalonym stanie, zachowanie pamięci, szybkie uruchamianie oraz niskie zużycie prądu, gdy są w stanie uśpienia. W poniższym artykule przyjrzymy się funkcji resetu przy załączaniu zasilania układów scalonych.

    Wstęp

    Układ resetu przy załączeniu zasilania, tak zwany power-on reset (POR), gwarantuje, że analogowe i cyfrowe bloki układu scalonego zostaną zainicjalizowane do znanego, ustalonego stanu po podaniu zasilania do układu. Podstawową funkcjonalnością systemu POR jest generowanie wewnętrznego impulsu resetującego układu, co zapobiega występowaniu stanów nieustalonych, resetując układ do momentu w którym napięcie zasilające osiągnie poziom umożliwiający poprawne działanie. Warto zauważyć, iż napięcie to nie jest równoważne z minimalnym napięciem zasilania, jakie specyfikowane jest w karcie katalogowej. Gdy napięcie zasilające osiąga zaprogramowany poziom, system POR przestaje generować wewnętrzny sygnał resetu, co pozwala na rozpoczęcie inicjalizacji układu scalonego. Dopóki takowa się nie zakończy, układ powinien ignorować wszystkie sygnały zewnętrzne, wliczając w to transmitowane dane. Jedynym wyjątkiem od tej reguły jest sygnał zewnętrznego resetu, o ile taki pin obecny jest w układzie, gdyż jest on połączony logicznie z sygnałem generowanym przez POR.

    Układ POR można przedstawić jako komparator okienkowy, tak jak pokazano to na rysunku pierwszym, poniżej. Poziom napięcia VT2 jest definiowany podczas budowy układu scalonego i zależy od napięcia pracy układu i czynników, wynikających z wewnętrznej geometrii układu scalonego.

    Włączanie i wyłączenia układów scalonych.
    Rysunek 1. Uproszczony schemat budowy układu POR.


    Strategie działania resetu podczas załączania zasilania

    Okienko komparatora typowo zdefiniowane jest poprzez poziom cyfrowego zasilania. Blok cyfrowy kontroluje blok analogowy układu, a napięcie które potrzebne jest systemowi cyfrowemu do poprawnego działania, bliskie jest minimalnemu napięciu zasilania bloku analogowego. Zaprezentowano to na rysunku drugim, poniżej.

    Włączanie i wyłączenia układów scalonych.




    Rysunek 2. Poziomy napięcia systemu POR.


    Wyższy próg napięcia dla VT2 jest lepszy dla układu analogowego, jednakże zbytnie zbliżanie tego progu do minimalnego rekomendowanego w karcie katalogowej układu zasilania, może spowodować zbyt częste resetowanie układu, nawet gdy napięcie spadnie bardzo nieznacznie. Jeśli układ wyposażony jest w osobne linie zasilania dla sekcji analogowej i cyfrowej, to popularną strategią jest umieszczenie w nim dwóch układów POR, niezależnie resetujących część analogową i cyfrową układu, do momentu stabilizacji zasilania na zadanym poziomie. Dla układu o zasilaniu nominalnym równym 3 V, napięcia progowe mogą wynosić, na przykład VT1 ? 0,8 V i VT2 ? 1,6 V.

    Napięcia te mogą ulec zmianie, w zależności od procesu produkcji układu i innych zmiennych, jednakże są to rozsądne przybliżenia. Tolerancja progu wynosić może 20% lub więcej, niektóre stare układu zakładały nawet próg o tolerancji 40%. Wysoka tolerancja układu związana jest ze zwiększeniem poboru prądu z zasilania. System POR musi być załączony cały czasy, więc jego działanie jest istotne w kontekście dzisiejszego trendu do konkurencji pomiędzy precyzją a zużyciem mocy. Układy o wyższej precyzji zużywają więcej prądu w trybie standby, a ich funkcjonalność nie różni się znacznie.

    Detektor Brownout

    System POR zawiera w swojej strukturze także detektor, tak zwanego [i]brownout[/b] (BOD), który zapobiega resetowi podczas zapadów napięcia. Zapad napięcia jest krótkotrwałym jego spadkiem, poniżej napięcia progowego. Z praktycznej perspektywy układ BOD dodaje po prostu histerezę do POR, typowo o wartości około 300 mV. Dzięki układowi BOD, gdy napięcie spadnie poniżej progu VT2, układ POR nie wygeneruje sygnału resetu, oczywiście o ile nie spadnie ono zbyt nisko, poniżej progu VBOD, ustalonego w detektorze zapadów. Objaśnione jest to na poniższym rysunku:

    Włączanie i wyłączenia układów scalonych.
    Rysunek 3. Detektor zapadów (brownout).


    Próg napięcia zapadu jest na tyle wysoki, że gwarantuje poprawne zachowanie informacji w układzie cyfrowym, jednakże nie zachowuje jego pełnej funkcjonalności. Detekcja zapadu pozwala kontrolerowi systemu na wstrzymanie aktywności na czas zapadu, bez utraty danych zapisanych w pamięci, co nastąpiło by po pełnym resecie układu w przypadku zaniku napięcia.

    Poprawne załączanie układu

    Rzeczywiste układy POR, wbudowane w układy scalone, są dużo bardziej skomplikowane niż ten pokazany na rysunku pierwszym. Na przykład wykorzystuje się tranzystory polowe (MOS) zamiast oporników w strukturze. Oznacza to, iż konieczne jest uwzględnienie pasożytniczych wartości tego rodzaju elementów. Dodatkowo blok POR wyposażony jest w pewnego rodzaju rozrusznik, który generuje impuls startowy. W pewnych sytuacjach rozrusznik ten może nie działać poprawnie. Pozostałe istotne kwestie opisano bardziej szczegółowo poniżej.

    Istotnym jest, aby korzystać ze źródła zasilania, dającego monotoniczne narastanie napięcia zasilającego, podczas załączania, gdyż niemonotoniczna krzywa napięcia w czasie, powodować może pewne problemy, szczególnie jeśli zmiana monotoniczności następuje dla napięcia bliskiego progowemu. Wysoka tolerancja układów POR spowodować może iż taki sam, niemonotoniczny przebieg napięcia może w jednym układzie nie sprawiać problemu, ale już w drugim wywoływać resety napięcia i inne niepożądane efekty, jak pokazano to na rysunku czwartym.

    Włączanie i wyłączenia układów scalonych.
    Rysunek 4. Niemonotoniczne narastanie napięcia zasilającego.


    Niekiedy, nawet jeżeli układ zasilania jest odłączony, albo stabilizator wyłączony, kondensatory filtrujące w linii zasilania przechowywać mogą na tyle duży ładunek iż na pinie zasilania widoczne będzie jakieś napięcie resztkowe, tak jak widać to na rysunku piątym. Napięcie to należy minimalizować, gwarantując jednocześnie utrzymanie go poniżej progu VT1, gdyż w innym wypadku system POR nie wykona poprawnie resetu urządzenia. Może to doprowadzić do jego niepoprawnej inicjalizacji i awarii systemu.

    Włączanie i wyłączenia układów scalonych.
    Rysunek 5. Napięcie resztkowe na wejściu zasilania.


    Niektóre karty katalogowe rekomendują pewną sekwencję załączania napięć zasilających, w systemach gdzie występuje większa liczba napięć zasilających. Istotne jest korzystanie z odpowiedniej kolejności sekwencjonowania napięć zasilających w układach wykorzystujących dwa lub więcej niezależnych linii zasilających. Rekomendowana sekwencja załączania określa zazwyczaj, że napięcie zasilające sekcję cyfrową musi zostać załączone przed załączeniem napięcia zasilającego sekcję analogową (jest to bardzo częste rozwiązanie, z uwagi na fakt, że najczęściej blok cyfrowy kontroluje część analogową, dlatego też musi zostać załączona szybciej). Sekwencja zasilania mówi nam tylko, która sekcja musi zostać załączona pierwsza. Nie jest istotne która linia zasilania zacznie narastać pierwsza, ważne jest która z linii osiągnie wartość progową - pierwsze powinno próg przekroczyć napięcie zasilające sekcję cyfrową, jak pokazano to na rysunku szóstym. Jeśli opóźnienie pomiędzy załączeniem napięć zasilających jest rzędu 100 mikrosekund, wpływ tego zjawiska powinien być niewielki, a układy powinny inicjalizować się w poprawny sposób.

    Włączanie i wyłączenia układów scalonych.
    Rysunek 6. Rekomendowana sekwencja załączania zasilania.


    Z uwagi na wewnętrzne pojemności pasożytnicze, powolne narastanie napięć zasilających, rzędu 100 ms, może powodować pewne problemy. System POR testowany jest dla kilku prędkości narastania napięcia zasilającego w celu zapewnienia poprawnego działania. Karta katalogowa układu scalonego zawiera w sobie informacje o wynikach tego testu i wyraźnie zaznacza, czy potrzebna jest duża prędkość narastania napięcia zasilającego (rzędu 100 mikrosekund lub mniej do 95%).

    Słabe połączenie z masą, na przykład na skutek połączenie płytki z układem zasilającym cienkim kabelkiem, powoduje iż masa wykazuje wysoką impedancję, która może generować zakłócenia podczas załączania zasilania. Dodatkowo, podczas pracy w środowisku z wysokim poziomem promieniowania elektromagnetycznego, pasożytnicze pojemności bramek tranzystorów MOS mogą ładować się, co powodować będzie niepoprawne działanie układu do momentu, w którym bramka zostanie rozładowana. Taka sytuacja powodować będzie niepoprawną pracę układu POR i złą inicjalizację systemu.

    Dryft i tolerancja układu musi także być dokładnie rozważona. W niektórych wypadkach, komponenty dyskretne mają wysoką tolerancję (40%) i znaczny dryft własności w funkcji temperatury czy napięcia albo czasu. Dodatkowo próg napięcia w systemie POR ma często ujemny współczynnik temperaturowy, co oznacza że napięcie VT1 może zmieniać się od 0,8 V przy temperaturze pokojowej, do 0,9 V przy ?40°C i 0,7 V przy +105°C.

    Podsumowanie

    Artykuł opisuje typowe problemy podczas załączania zasilania w systemie, które mogą spowodować powstanie poważniejszych awarii. Zapamiętanie podstawowych zasad opisanych powyżej pozwala na poprawną inicjalizację systemu. Bardzo często przykłada się minimalną wagę do projektowania systemu zasilania, jednakże zarówno precyzja napięcia zasilającego po jego stabilizacji, jak i zachowanie w stanie przejściowym, są bardzo istotne dla działania całego układu.

    Źródło:

    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/49-03/power_up_down.html


    Fajne! Ranking DIY