Sequencing mit Powermanagement-ICs Immer schön der Reihe nach

Powermanagement-ICs können die komplexen Aufgabe des Einschaltens der verschiedenen Spannungsebenen für ein System-on-Chip (SoC) oder für ein Embedded-Computer-Subsystem vereinfachen. Allerdings ist die Bandbreite der Lösungen umfangreich, deshalb soll das Spektrum hier einmal beschrieben werden.

von Mark Patrick, Supplier Marketing Manager bei Mouser Electronics

Herzstück vieler industrieller Steuerungssysteme, Netzwerkgeräte und in der Unterhaltungselektronik sind prozessorbasierte Systeme. Bei ihnen sind unterschiedliche Spannungen in einer spezifischen Abfolge am Prozessorkern, den Peripheriekomponenten, I/Os und dem Speicher anzulegen. In einigen Fällen kann ein Sequencing sinnvoll sein, um hohe Einschaltströme beim Hochfahren zu verhindern. In anderen Systemen kann die Einschaltabfolge entscheidend sein, um eine korrekte Initialisierung des Systems sicherzustellen oder empfindliche Komponenten oder Subsysteme vor Schäden zu schützen, beispielsweise indem sichergestellt ist, dass die richtigen Logiksignale vorliegen, bevor der Hauptstromkreis eingeschaltet wird.

Systemelemente wie der Prozessor,die Logik, der Speicher und einige Peripheriekomponenten sind häufig in einen SoC-Baustein integriert, der mehrere Spannungsebenen für die verschiedenen Bereiche benötigt. Je nach Anwendung können auch andere Subsysteme involviert sein, beispielsweise Motortreiber, Leistungs-MOSFETs und -IGBTs oder spezielle Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet oder serielle RS-232/422-Schnittstellen. Selbst recht kleine Komponenten benötigen teils zehn oder mehr Spannungsebenen, die unabhängige DC-Regler oder Leistungswandler bereitstellen.

Steuerung der Einschaltabfolge

Eine einfache Sequenz kann etwa sicherstellen, dass Versorgung B erst eingeschaltet wird, wenn Versorgung A bereits eingeschaltet ist. Bei einem komplizierteren System kann es beispielsweise sein, dass Versorgung C erst eingeschaltet werden darf, wenn Leitungen A und B bereits eingeschaltet sind. Dabei ist zu beachten, dass eine Versorgung in der Regel als »eingeschaltet« gilt, wenn 90 % der endgültigen Ausgangsspannung der Leitung erreicht sind, selbst wenn kritische Anwendungen eine Ausgangspannung erfordern, die der Endspannung näherkommt (beispielsweise innerhalb von 1 %).

Da es viel einfacher ist, die Zeit anstelle der Spannung zu messen, kann in einigen Systemen die Zeit die Spannung als Kriterium ersetzen, wenn man nämlich weiß, dass eine spezifische Spannungsebene den Zielwert innerhalb einer fest definierten Zeit erreicht. 

Unabhängig davon, ob das Sequencing auf der Zeit oder dem Spannungsniveau beruht, bewegt sich der Zeitraum des aufeinanderfolgenden Einschaltens der Leitungen meist im Millisekundenbereich. In einigen Anwendungen kann er jedoch signifikant länger sein. Wenn ein Subsystem wie beispielsweise eine Heizung erst seine vorgegebene Temperatur vollständig erreicht haben muss, bevor das übrige System hochgefahren wird, oder wenn der Systemprozessor vor dem Einschalten eines Subsystems mit hoher Spannung oder hoher Leistung einen Kalibrierungsvorgang oder eine Kontrolle auf Sicherheitssignale durchlaufen muss, kann es sein, dass mehrere Sekunden (oder ein längerer Zeitraum) erforderlich sind, bevor die nachfolgenden Leitungen eingeschaltet werden können.

Enthält das System separate Spannungswandler, die jeweils mit einem Freigabekontakt und einem Power-good-Ausgang versehen sind, kann man mit jedem dieser Signale sicherstellen, dass der folgende Wandler in der Sequenz erst dann startet, wenn die vorhergehende Leitung ein ausreichendes Niveau erreicht hat, um das Power-good-Signal zu gewährleisten. Wenn einer oder mehrere der Wandler keinen Freigabeeingang haben, lässt sich ein Sequencing damit erreichen, dass das Einschaltsignal das Gate eines seriell zum Ausgang geschalteten MOSFETs steuert.

Ist kein Power-good-Signal verfügbar, so sind möglicherweise zusätzliche Schaltungskomponenten nötig, um die Ausgangsspannung beispielsweise von Wandler A abzutasten und ein Freigabesignal für Wandler B zu generieren und so weiter. Eine Zeitmessschaltung, beispielsweise auf der Grundlage eines 555-Timers, kann eine Alternative zur Spannungsmessung darstellen. Aber jede Methode hat ihre Nachteile. Dazu gehören die zusätzliche Komplexität, die Anzahl von Komponenten und die Platzanforderungen auf der Platine. Vor diesem Hintergrund lohnt es sich vielleicht, über Schaltungen mit integriertem Power-Sequencing oder Powermanagement-ICs (PMIC) nachzudenken.

Einfache Sequenzer

Der LM3880 von Texas Instruments ist ein Beispiel für einen einfachen Leistungssequenzer, mit dem sich präzise Freigabesignale von bis zu drei Wandlern erzeugen lassen (Bild 1). Nach dem Einschalten bleiben die drei Ausgangs-Flags des LM3880 auf »Low«. Das IC hat seinen eigenen Freigabeeingang, der mit einem internen Komparator mit einer Bezugsspannung von 1,25 V verbunden ist. Dadurch kann der Entwickler den Beginn der Einschaltsequenz bei Erhalt eines logischen Signals oder bei Erreichen eines bestimmten Niveaus an einer anderen Spannungsleitung oder einer analogen Spannung ansetzen. Bei Bedarf können Entwickler mittels eines Kondensators am Freigabeeingang eine Verzögerung einfügen.

Sobald das Enable-Signal wirksam wird, wird auch das erste Ausgangs-Flag nach einer voreingestellten Verzögerung gesetzt. Vor dem Setzen des zweiten Flags verstreicht die gleiche Zeit und dasselbe gilt für das dritte und letzte Flag. Die Verzögerungszeit wird werkseitig in einem EPROM programmiert und der Kunde kann zwischen sechs voreingestellten Zeiten wählen (zwischen 2 ms und 120 ms). Ein weiterer Ablauf bei diesem IC besteht darin, dass es die Leitungen in derselben Abfolge und mit denselben Zeitintervallen wieder ausschaltet.

Beim MAX16029 von Maxim Integrated (Bild 2) handelt es sich um einen ähnlichen Vierkanal-Sequenzer. Mit diesem können Entwickler jedoch die Verzögerungszeit mithilfe externer Kondensatoren programmieren. Jeder der vier Kanäle ist unabhängig von den anderen und jeder Kanalausgang kann in einer Open-Drain-Konfiguration verwendet werden, die Spannungen von bis zu 28 V unterstützt, wie sie in DC-Wandlern mit größerem Eingangsspannungsbereich oft vorgesehen sind. Von diesem Sequenzer sind auch Zweikanal- und Dreikanalversionen verfügbar. Maxim bietet zahlreiche ähnliche Bausteine, mit denen Anwender das Timing per PMBus-Schnittstelle statt über Kondensatoren und Widerstände programmieren können. Damit lassen sich die Sequenzer verketten, um mehr als vier Leitungen zu bedienen.