Sequencing mit Powermanagement-ICs Immer schön der Reihe nach

Auswahl und Nutzung eines Powermanagement-ICs

Ein Powermanagement-IC (PMIC) mit mehreren integrierten Stromversorgungen kann eine besonders platzsparende und effiziente Lösung darstellen. Bei der Auswahl eines solchen Bausteins sollten Anwender jedoch sorgfältig vorgehen. Auch wenn diese über mehrere lineare Low-Dropout-Regler (LDOs) und DC/DC-Wandler sowie nützliche Zusatzfunktionen wie Schutz- und Diagnoseschaltungen sowie Batteriemanagement verfügen, sind einige PMICs eher für Steuerungsaufgaben als zum Sequenzieren entwickelt worden. So werden manche für die Anforderungen eines spezifischen Prozessors entwickelt.

So hat beispielsweise NXP Semiconductors den MMPF0100 für Systeme mit dem Anwendungsprozessor i.MX6 entwickelt. Er integriert bis zu sechs Abwärtswandler, sechs Linearregler, eine Echtzeituhr-Versorgung und ein Knopfzellen-Ladegerät zur Versorgung jeder Spannungsleitung des i.MX6, des DDR-Speichers und der Peripherie des Systems. Entwickler können die gewünschte Ausgangsspannung und Einschaltsequenz für jeden der integrierten Wandler programmieren, bevor sie Bauteile bestellen, bei denen die gewünschten Werte dann ab Werk fest einprogrammiert sind.

Andere Allzweck-PMICs hingegen bieten eine Auswahl an linearen und schaltenden Wandlern, die sich hinsichtlich Ausgangsspannung, Sequencing und Schutzschwellwerten individuell einstellen lassen. Dadurch eröffnen sich dem Entwickler zahlreiche Möglichkeiten für die Stromversorgung des Systems mit einem praktischen und platzsparenden Baustein.

Der TPS65916 von Texas Instruments ist ein Beispiel für ein PMIC, das vier konfigurierbare Abwärtswandler für die Stromversorgung von Kern, Speicher und I/O verschiedener Prozessortypen integriert. Diese Schaltwandler unterstützen Stromspartechniken wie die adaptive Spannungsskalierung (Adaptive Voltage Scaling, AVS).

Darüber hinaus enthält das PMIC fünf LDOs zur Versorgung von Bereichen mit niedrigen Strömen und niedrigem Rauschen. Entwickler können die Einschalt- und Ausschaltsequenzen auf OTP-Basis programmieren. Darüber hinaus können sie auch Übergänge zwischen dem Ruhe- und Aktivzustand des Wandlers konfigurieren. Die Komponenten verfügen über eine eingebettete Leistungssteuerung zum Abrufen und zur Ausführung der Sequenzen. 

Programmierbares Power-Sequencing 

Weist eine Anwendung zahlreiche Spannungsebenen oder komplizierte Sequencing-Anforderungen auf oder ist das Ein- und Ausschalt-Sequencing präzise zu steuern, benötigt der Anwender ein Maß an Flexibilität, das einfache Sequenzer oder Allzweck-PMICs ohne Zusatzkomponenten nicht bieten. In solchen Fällen eignet sich ein dezidierter Mikrocontroller oder ein vollständig programmierbares Sequenzer-IC.

Eine Power-Sequencing-Schaltung mit einem Mitglied der PIC16F1xxx-Serie von Microchip als Kernstück kann vier, acht oder mehr Stromquellen handhaben (Bild 3). Die eingebettete Firmware kann der Anwender mit den gewünschten Sequencing-Attributen, Power-good-Kriterien und Ramp-up- respektive Ramp-down-Zeiten programmieren. Darüber hinaus verfügt das IC über verschiedene Alarmmodi für den Fall, dass eine Versorgung ausfällt oder den vorgegebenen Bereich verlässt. Der PIC-Baustein verfügt über einen 10 bit breiten A/D-Wandler (ADC), digitalisiert jede Leitung jedoch 16-fach und mittelt dann das Ergebnis, was einer 4-bit-Wandlung entspricht. Die Anzahl der GPIO-Kontakte zur Ansteuerung von Spannungsregler oder Leistungs-MOSFET bewegt sich im Größenbereich von Dutzenden, was für viele Anwendungsfälle ausreicht.

Als spezialisierter Sequencing-Baustein bietet der UCD90120A von TI einen weiteren vollständig programmierbaren Ansatz (Bild 4). Dieser Power-Sequenzer mit zwölf Leitungen und Monitor wird über eine PMBus/I²C-Schnittstelle bedient und besitzt 26 GPIO-Kontakte, die für weitere versorgungsbezogene Funktionen zur Verfügung stehen, beispielsweise die Generierung von Enable-Signalen, Resets und Alarm-Interrupts des Systemprozessors. In Kombination mit einer entsprechenden grafischen Benutzeroberfläche lassen sich mit diesem IC komplizierte Ein-/Ausschalt-Sequenzen und Zeitsteuerungen implementieren, und er bietet bei Spannungsabfällen wertvolle Einblicke zur Fehleranalyse (Bild 5).

Zusammenfassung 

Beim Ein- und Ausschalten elektronischer und elektrischer Systeme ist es wichtig, die verschiedenen Spannungsebenen korrekt zu sequenzieren, um eine zuverlässige Systemleistung sicherzustellen und zu verhindern, dass übermäßige Ströme oder Spannungen empfindliche Komponenten schädigen. Vor dem Hintergrund zunehmender SoC-Integration und dem Einsatz komplexer Prozessoren sowie FPGAs mit mehreren Leistungsleitungen in eingebetteten Systemen wird ein korrektes Sequencing auf Chipebene immer wichtiger.

Immer neue integrierte Sequenzer und Powermanagement-ICs werden auf den Markt gebracht, um den komplexen Entwicklungsanforderungen von heute gerecht zu werden. Diese reichen von konfigurierbaren Sequenzern mit fester Verzögerung zum Ein- und Ausschalten externer Regler bis hin zu hochintegrierten PMICs mit Schaltungen und LDO-Reglern auf dem Chip.

Daneben gibt es auch vollständig programmierbare Bausteine, die eine höchstmögliche Flexibilität bieten, um komplexe Ein- und Ausschaltstrategien zu implementieren.