Monitoraggio dell’alimentazione, spegnimento e reset in un unico ASIC

Monitorare tensione/corrente, attivare lo spegnimento di carichi remoti e determinare le condizioni di reset appropriate sembra un compito impegnativo per qualsiasi sistema di alimentazione. Molti progettisti probabilmente realizzerebbero un ADC, un circuito discreto con op-amp o amplificatore di strumentazione con alcuni comparatori e un microcontrollore, implementando poi tutta la logica nel firmware. Ciò significa dover sviluppare un'applicazione embedded e scrivere i driver per le periferiche, oltre a progettare, simulare e testare l'hardware al banco.

Un'opzione migliore è consolidare tutte queste funzionalità in un unico ASIC. Normalmente, la logica programmabile gestisce solo il lato digitale dell'equazione, ma il monitoraggio della potenza e il reset del sistema richiedono anche il monitoraggio di segnali analogici. Un'opzione migliore è l'elaborazione mixed-signal in un ASIC programmabile come GreenPAK. Ecco perché dovresti considerare GreenPAK come soluzione per consolidare queste funzioni in un ASIC programmabile compatto.

Funzionalità di monitoraggio dell'alimentazione

Il monitoraggio discreto della tensione di solito inizia con un partitore resistivo dimensionato per portare una rail nell'intervallo di ingresso di un comparatore o di un ADC, seguito da un filtro RC per rigettare il rumore di commutazione del convertitore. Il monitoraggio della corrente è tipicamente realizzato con uno shunt low-side o high-side e con un amplificatore di current sense o un amplificatore di strumentazione che fornisce il guadagno, poiché le tensioni ai capi dello shunt, a una dissipazione di potenza ragionevole, sono dell'ordine di decine di millivolt. Entrambi i segnali richiedono poi un condizionamento: guadagno, regolazione dell'offset, filtraggio e protezione contro i transitori sul nodo misurato.

Il valore analogico misurato diventa utile solo quando viene convertito in uno stato logico. Questo può essere fatto con un comparatore e un riferimento fisso o programmabile, ottenendo uno stato a singolo bit di sovratensione, sottotensione o sovracorrente, con isteresi che impedisce commutazioni dovute al rumore in prossimità della soglia. Un ADC produce un valore digitale che il firmware confronta con una soglia, ma questo aggiunge latenza di conversione e deve essere gestito nel firmware. Per la logica di protezione, il rilevamento di soglia basato su comparatore è più rapido e non dipende dall'esecuzione del codice.

L'implementazione di questo rilevamento di soglia su un dispositivo programmabile mixed-signal richiede:

• Comparatori analogici con isteresi programmabile
• Un riferimento di tensione interno programmabile o un DAC per l'impostazione della soglia
• Pin di ingresso analogici con capacità di partitore o buffer
• Tabelle di verità per combinare più flag in un'unica condizione di guasto

Funzionalità di spegnimento del sistema

Una volta identificato un guasto, il blocco di spegnimento deve agire su quell'uscita logica. In una soluzione consolidata, la logica di spegnimento si trova direttamente a valle dei comparatori di monitoraggio e pilota i pin di enable dei regolatori, i gate driver per i FET e/o una linea di fault di ritorno verso il processore host. Un'uscita del comparatore instradata attraverso logica combinatoria fino a un pin di uscita può disabilitare un convertitore in ben meno di un microsecondo, una velocità sufficiente a proteggere un MOSFET durante un evento di cortocircuito.

Nell'elettronica di potenza, lo spegnimento raramente consiste in una semplice commutazione di una singola uscita, perché di solito i carichi devono essere spenti nell'ordine inverso rispetto alla sequenza di accensione. Ciò richiede uscite sequenziate con ritardi indipendenti, oltre a un latch affinché un guasto transitorio non consenta al sistema di riavviarsi autonomamente.

Funzionalità digitali necessarie per implementare la logica di spegnimento:

• Tabelle di verità per combinare condizioni di guasto e di abilitazione
• Blocchi di ritardo e one-shot per il sequenziamento e il blanking della corrente di spunto
• Latch SR per mantenere lo stato di guasto fino a un reset intenzionale
• Contatori per impostare i ritardi tra i controlli di guasto
• Uscite open-drain o push-pull in grado di pilotare pin di enable e gate

Funzionalità di reset del sistema

La logica in un blocco di reset osserva due elementi: il comparatore di monitoraggio della corrente (o della tensione), che indica che la potenza del carico è decaduta quasi a zero, e un indicatore logico dal sequenziatore di spegnimento che conferma il completamento di tutte le fasi della sequenza di spegnimento. Solo quando entrambe le condizioni restano vere per un tempo di permanenza definito dovrebbe avviarsi la sequenza di reset. L'applicazione di un timer di ritardo tra lo stato di rilevamento della corrente zero e l'uscita di reset concede alle rail il tempo necessario per scaricarsi completamente.

Funzionalità digitali necessarie per implementare la logica di reset:

• Tabelle di verità per eseguire l'AND tra il flag di corrente zero e l'indicatore di completamento dello spegnimento
• Blocchi di ritardo o contatori per il periodo di attesa della scarica
• Rilevatori di fronte e generatori di impulso per produrre un impulso di reset di ampiezza definita
• Un percorso di cancellazione del latch pilotato dal blocco di reset o da un comando esterno
• Circuiteria di power-on reset affinché il dispositivo stesso si avvii in uno stato noto

Crea un ASIC personalizzato con GreenPAK

GreenPAK di Renesas è una famiglia di IC mixed-signal programmabili che combinano comparatori analogici, riferimenti, blocchi di ritardo e contatore, latch e tabelle di verità configurabili su un unico piccolo die, il tutto configurato in uno strumento di progettazione grafico gratuito anziché nel firmware. Progetti di riferimento ben documentati coprono applicazioni di sequenziamento dell'alimentazione, monitoraggio e reset, quindi gran parte di questa logica può essere adattata anziché realizzata da zero.

Gli strumenti di sviluppo Renesas GreenPAK offrono ai progettisti la possibilità di sviluppare IC digitali, analogici o mixed-signal completamente personalizzati. Questi processori mixed-signal programmabili consentono di consolidare funzioni presenti nei circuiti di gestione di clock e segnali, permettendo sistemi più piccoli ed efficienti. Per saperne di più, dai un'occhiata ai componenti GreenPAK e agli esempi di riferimento.

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