Leistungsüberwachung, Abschaltung und Reset in einem einzigen ASIC

Die Überwachung von Spannung/Strom, das Auslösen von Abschaltungen entfernter Lasten und das Festlegen geeigneter Reset-Bedingungen klingt nach einer großen Herausforderung für jedes Stromversorgungssystem. Viele Entwickler würden wahrscheinlich einen ADC, eine diskrete Op-Amp- oder In-Amp-Schaltung mit einigen Komparatoren sowie einen Mikrocontroller verschalten, wobei die gesamte Logik in der Firmware implementiert würde. Das bedeutet, dass Sie eine Embedded-Anwendung erstellen und Treiber für Peripherie schreiben müssen – zusätzlich zum Entwurf, zur Simulation und zum Testen der Hardware auf dem Labortisch.

Eine bessere Option ist es, all diese Funktionen in einem einzigen ASIC zu konsolidieren. Normalerweise verarbeitet programmierbare Logik nur die digitale Seite der Gleichung, doch für Leistungsüberwachung und System-Reset müssen auch analoge Signale überwacht werden. Eine bessere Lösung ist die Mixed-Signal-Verarbeitung in einem programmierbaren ASIC wie GreenPAK. Hier erfahren Sie, warum Sie GreenPAK als Lösung zur Konsolidierung dieser Funktionen in einem kompakten programmierbaren ASIC in Betracht ziehen sollten.

Funktionen zur Leistungsüberwachung

Die diskrete Spannungsüberwachung beginnt üblicherweise mit einem Widerstandsteiler, der so skaliert ist, dass eine Versorgungsschiene in den Eingangsbereich eines Komparators oder ADCs gebracht wird, gefolgt von einem RC-Filter zur Unterdrückung von Schaltgeräuschen des Wandlers. Die Stromüberwachung erfolgt typischerweise über einen Low-Side- oder High-Side-Shunt, wobei ein Strommessverstärker oder In-Amp die Verstärkung bereitstellt, da Shunt-Spannungen bei vertretbarer Verlustleistung im Bereich von einigen zehn Millivolt liegen. Beide Signale müssen anschließend aufbereitet werden: Verstärkung, Offset-Abgleich, Filterung und Schutz gegen Transienten am Messknoten.

Der gemessene Analogwert wird erst dann nützlich, wenn er in einen Logikzustand umgewandelt wird. Dies kann mit einem Komparator und einer festen oder programmierbaren Referenz erfolgen, wodurch ein 1-Bit-Zustand für Überspannung, Unterspannung oder Überstrom entsteht, wobei Hysterese ein Umschalten durch Rauschen nahe der Schwelle verhindert. Ein ADC erzeugt einen digitalen Wert, den die Firmware mit einem Schwellenwert vergleicht, doch dies erhöht die Wandlungslatenz und muss in der Firmware umgesetzt werden. Für Schutzlogik ist eine komparatorbasierte Schwellenwerterkennung schneller und nicht von der Codeausführung abhängig.

Für die Implementierung dieser Schwellenwerterkennung auf einem programmierbaren Mixed-Signal-Baustein sind erforderlich:

• Analogkomparatoren mit programmierbarer Hysterese
• Eine interne programmierbare Spannungsreferenz oder ein DAC zur Einstellung der Schwellenwerte
• Analoge Eingangspins mit Teiler- oder Pufferfunktion
• Look-up-Tabellen, um mehrere Statussignale zu einer einzigen Fehlerbedingung zusammenzufassen

Funktionen zur Systemabschaltung

Sobald ein Fehler erkannt wird, muss der Abschaltblock auf diesen logischen Ausgang reagieren. In einer konsolidierten Lösung sitzt die Abschaltlogik direkt hinter den Überwachungskomparatoren und steuert Enable-Pins an Reglern, Gate-Treiber für FETs und/oder eine Fehlerleitung zurück zum Host-Prozessor. Ein Komparatorausgang, der über kombinatorische Logik zu einem Ausgangspin geführt wird, kann einen Wandler deutlich in unter einer Mikrosekunde deaktivieren – schnell genug, um einen MOSFET bei einem Kurzschlussereignis zu schützen.

In der Leistungselektronik ist eine Abschaltung selten nur das Umschalten eines einzelnen Ausgangs, da Lasten üblicherweise in umgekehrter Reihenfolge der Einschaltsequenz abgeschaltet werden müssen. Das erfordert sequenzierte Ausgänge mit unabhängigen Verzögerungen sowie ein Latch, damit ein kurzzeitiger Fehler nicht dazu führt, dass das System selbstständig neu startet.

Digitale Funktionen, die zur Implementierung der Abschaltlogik benötigt werden:

• Look-up-Tabellen zum Kombinieren von Fehler- und Enable-Bedingungen
• Verzögerungs- und One-Shot-Blöcke für Sequenzierung und Inrush-Blanking
• SR-Latches, um den Fehlerzustand bis zu einem bewussten Löschen zu halten
• Zähler zum Einstellen von Verzögerungen zwischen Fehlerprüfungen
• Open-Drain- oder Push-Pull-Ausgänge, die Enable- und Gate-Pins ansteuern können

Funktionen zum System-Reset

Die Logik in einem Reset-Block überwacht zwei Dinge: den Strom- (oder Spannungs-)Überwachungskomparator, der anzeigt, dass die Lastleistung auf nahezu null abgeklungen ist, und ein Logiksignal vom Abschaltsequencer, das bestätigt, dass alle Phasen der Abschaltsequenz abgeschlossen sind. Erst wenn beide Bedingungen für eine definierte Haltezeit erfüllt sind, sollte die Reset-Sequenz beginnen. Durch das Einfügen eines Verzögerungstimers zwischen dem Zustand der Nullstromerkennung und dem Reset-Ausgang erhalten die Versorgungsschienen Zeit, sich vollständig zu entladen.

Digitale Funktionen, die zur Implementierung der Reset-Logik benötigt werden:

• Look-up-Tabellen, um das Nullstrom-Flag mit dem Shutdown-Complete-Indikator per AND zu verknüpfen
• Verzögerungsblöcke oder Zähler für die Entladehaltezeit
• Flankendetektoren und Pulsgeneratoren zur Erzeugung eines Reset-Impulses mit definierter Breite
• Ein Pfad zum Löschen des Latch, angesteuert entweder vom Reset-Block oder durch einen externen Befehl
• Power-on-Reset-Schaltung, damit das Bauelement selbst in einem definierten Zustand startet

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GreenPAK von Renesas ist eine Familie programmierbarer Mixed-Signal-ICs, die Analogkomparatoren, Referenzen, Verzögerungs- und Zählerblöcke, Latches und konfigurierbare Look-up-Tabellen auf einem einzigen kleinen Die vereinen und in einem kostenlosen grafischen Design-Tool statt in Firmware konfiguriert werden. Gut dokumentierte Referenzdesigns decken Anwendungen für Power-Sequencing, Überwachung und Reset ab, sodass sich der Großteil dieser Logik anpassen lässt, anstatt bei null beginnen zu müssen.

Die Entwicklerwerkzeuge von Renesas GreenPAK geben Entwicklern die Möglichkeit, vollständig kundenspezifische digitale, analoge oder Mixed-Signal-ICs zu entwickeln. Diese programmierbaren Mixed-Signal-Prozessoren ermöglichen die Konsolidierung von Funktionen aus der Takt- und Signalmanagement-Schaltungstechnik und damit kleinere, effizientere Systeme. Wenn Sie mehr erfahren möchten, sehen Sie sich die GreenPAK-Komponenten und Referenzbeispiele an.

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