Contrôle des séquences de démarrage et d'arrêt de l'alimentation

Par Art Pini

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Les microprocesseurs, les FPGA, les DSP, les convertisseurs analogique-numérique (CAN) et les systèmes sur puce (SoC) s'exécutent généralement à partir de plusieurs rails de tension. Pour empêcher les verrouillages, les conflits de bus et les courants d'appel élevés, les concepteurs doivent démarrer ou arrêter ces rails d'alimentation dans un ordre précis. Ce processus est appelé contrôle de séquence d'alimentation ou séquencement d'alimentation, et il existe de nombreuses solutions disponibles pour effectuer cette opération avec efficacité.

Les dispositifs complexes qui nécessitent un séquencement d'alimentation peuvent avoir des rails d'alimentation pour les blocs analogiques et cœurs qui doivent être mis sous tension avant les rails E/S numériques. Il est possible que certaines conceptions nécessitent différentes séquences, mais dans tous les cas, un séquencement adapté pour le démarrage et l'arrêt est requis pour éviter les problèmes.

Les différents séquenceurs d'alimentation, moniteurs et superviseurs qui ont émergé pour fournir une accélération et un arrêt efficaces ont également adopté des techniques permettant de surveiller les niveaux de tension et de courant afin de calculer les niveaux de puissance et ainsi protéger les circuits intégrés et les sous-assemblages complexes.

Cet article fournira des explications détaillées sur le séquencement d'alimentation, abordera les spécifications et les techniques qui y sont liées, et expliquera comment utiliser les séquenceurs d'alimentation pour atteindre certains objectifs en matière de temporisation et de séquencement des rails d'alimentation.

Pourquoi se préoccuper du séquencement d'alimentation ?

Les FPGA et les circuits intégrés complexes similaires sont divisés en interne en plusieurs domaines de puissance. La plupart de ces circuits intégrés requièrent un ordre précis lors du démarrage ou de l'arrêt du dispositif. Par exemple, les FPGA mettent généralement sous tension le cœur logique, les E/S et les circuits auxiliaires séparément.

Le cœur comprend généralement le processeur et la base logique du FPGA. Ce domaine est caractérisé par un profil basse tension et à fort courant. Les exigences de précision sont très élevées en raison de cette tension extrêmement faible et les performances transitoires doivent être excellentes en raison de la nature dynamique de la charge numérique. La section E/S représente les nombreuses entrées et sorties du FPGA. Les exigences de tension dépendent du type d'interface utilisé. En général, les niveaux de tension seront supérieurs à ceux du cœur. La demande en courant varie en fonction du type d'E/S, de leur nombre et de leur vitesse.

Les circuits auxiliaires incluent les circuits analogiques sensibles au bruit dans un FPGA, comme les boucles à verrouillage de phase (PLL) et d'autres éléments du circuit analogique. Les exigences de courant sont relativement faibles, mais la tension d'ondulation est une préoccupation majeure et doit être réduite. Dans les sections analogiques, l'ondulation peut entraîner des excès de gigue et de bruit de phase dans les PLL, ainsi que des réponses parasites dans les amplificateurs.

Le démarrage des alimentations de chaque domaine dans le mauvais ordre peut causer des problèmes et endommager le FPGA. Gardez à l'esprit que la section E/S repose sur la transmission et la réception de données sur un bus à trois états. Le contrôle des E/S est géré par le cœur. Si le domaine E/S est mis sous tension avant le cœur, les broches E/S vont se terminer par des états indéterminés. Si les composants de bus externes sont mis sous tension, des conflits de bus peuvent alors survenir dans les courants élevés des circuits E/S. C'est pourquoi le cœur doit être démarré avant le domaine E/S. Il est important de consulter les spécifications du fournisseur du FPGA pour connaître la séquence recommandée en matière d'application et d'arrêt de l'alimentation, ainsi que les tensions différentielles maximales entre les rails d'alimentation.

De façon similaire, les dispositifs comme les amplificateurs opérationnels de puissance disposent de deux domaines de puissance : le domaine analogique et le domaine numérique. Le domaine numérique alimente les indicateurs d'état de diagnostic des amplificateurs pour détecter les états de surchauffe et de surintensité. Le domaine numérique prend également en charge les fonctions activer/arrêter de l'amplificateur. Les spécifications du dispositif requièrent l'alimentation du domaine numérique avant l'alimentation analogique afin que ces indicateurs d'état soient fonctionnels avant la mise sous tension du domaine analogique. Ces exigences visent à empêcher les dommages éventuels du dispositif.

Méthode de séquence d'alimentation

Il existe trois types courants de séquencement à plusieurs rails (Figure 1). Le plus courant est le type séquentiel, dans lequel un rail d'alimentation est activé en premier, suivi d'un autre rail après un certain délai. Le délai est défini pour permettre au premier rail d'atteindre le point de régulation avant le démarrage du second rail.

Schéma de trois techniques de séquencement des alimentations

Figure 1 : Trois techniques de séquencement des alimentations. Quelle que soit la technique utilisée, les tensions doivent augmenter de manière monotone. Si cette exigence n'est pas respectée, le dispositif risque de ne pas s'initialiser correctement en raison d'une chute de tension inattendue pendant le démarrage. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La deuxième technique de séquencement est ratiométrique. Avec cette technique, les rails démarrent au même moment et atteignent leur tension nominale au même moment. Cela requiert que le temps de montée des rails soit proportionnel à leur tension, afin d'atteindre le point de régulation en même temps.

Il est possible que certains dispositifs ne tolèrent pas les différences de tension instantanées qui surviennent avant que le point de régulation soit atteint. Cela peut amener le dispositif à utiliser un plus fort courant à partir d'une alimentation pendant cette période.

La troisième approche, le démarrage simultané, réduit les différences de tension instantanées. Cette technique permet de réduire l'étendue et la durée de ces contraintes. Le démarrage simultané est une façon courante d'implémenter cette méthode : les rails de tension augmentent ensemble et au même rythme, et le rail supérieur, généralement le rail de tension E/S, continue même après que le rail de tension inférieur ou principal a atteint sa valeur finale.

Quelle que soit la technique utilisée, les tensions doivent augmenter de manière monotone. Si cette exigence n'est pas respectée, le dispositif risque de ne pas s'initialiser correctement en raison d'une chute de tension inattendue pendant le démarrage.

De plus, un démarrage progressif peut être appliqué pour limiter les courants d'appel pendant le démarrage. Cette pratique réduit le courant pendant le démarrage, permettant une charge graduelle de la capacité du rail d'alimentation au démarrage.

Les arrêts d'alimentation doivent normalement se produire dans le sens inverse du démarrage.

Le choix de la technique de démarrage ou d'arrêt dépend des spécifications du dispositif.

Exemples de séquencement d'alimentation

Le démarrage simultané est relativement facile à configurer. La sortie de tension la plus élevée est reliée aux entrées des régulateurs de tension inférieure (Figure 2).

Graphique du démarrage simultané d'alimentations de 5 V et 3,3 V

Figure 2 : Démarrage simultané d'alimentations de 5 V et 3,3 V grâce à la mise en chaîne des régulateurs. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Dans cet exemple, la tension plus élevée est l'alimentation de 5 V. Cela alimente le régulateur de 3,3 V également. Les sorties de 5 V et 3,3 V sont illustrées alors qu'elles s'élèvent simultanément, avec une différence de tension minimale, jusqu'au point de régulation de l'alimentation de 3,3 V.

La technique séquentielle nécessite l'utilisation d'un circuit intégré/séquenceur, comme le LM3880 de Texas Instruments. Le LM3880 est un simple séquenceur d'alimentation capable de contrôler plusieurs régulateurs indépendants ou plusieurs alimentations à l'aide de leurs entrées d'activation.

Lorsqu'il est activé, le LM3880 libère de façon séquentielle ses trois indicateurs de sortie, avec un délai individuel entre les différents indicateurs. Cela permet le démarrage des alimentations connectées. Pendant l'arrêt, les indicateurs de sortie suivront une séquence inverse. Un exemple de conception utilisant le LM3880 est illustré, avec le logiciel WEBENCH Power Designer de Texas Instruments (Figure 3). Cet outil logiciel gratuit aide l'ingénieur à concevoir des circuits d'alimentation en fournissant des schémas, des nomenclatures et des simulations de résultats. Cette Figure présente le schéma et les graphiques, l'entrée d'activation et les trois indicateurs de sortie.

Les délais et l'ordre de séquences sont fixes dans le LM3880, mais sont personnalisables en usine à l'aide de la mémoire EPROM intégrée. Texas Instruments offre également une fonction de délai programmable par condensateur dans le séquenceur LM3881.

Image de l'écran WEBENCH Power Designer de Texas Instruments

Figure 3 : Écran de WEBENCH Power Designer de Texas Instruments pour le schéma de conception LM3880 et graphique de l'entrée d'activation et des indicateurs de sortie permettant de contrôler les régulateurs externes ou les alimentations. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Le séquenceur/superviseur de tension LTC2937 d'Analog Devices est un dispositif de contrôle de l'alimentation légèrement plus sophistiqué. Tout comme le LM3880, le LTC2937 peut contrôler l'ordre et le délai à utiliser pour un nombre maximal de six alimentations ou régulateurs (Figure 4).

Schéma du LTC2937 d'Analog Devices qui contrôle la séquence d'un nombre maximum de six alimentations

Figure 4 : Le LTC2937 peut contrôler la séquence de jusqu'à six alimentations, tout en surveillant également les tensions du rail d'alimentation. Plusieurs dispositifs peuvent être synchronisés à l'aide d'un seul câble pour contrôler jusqu'à 300 alimentations. (Source de l'image : Analog Devices)

En plus de séquencer jusqu'à six rails d'alimentation, il permet également de surveiller les tensions sur ces rails pour détecter les surtensions, les sous-tensions, les chutes de tension et les blocages. Dans le cas d'une défaillance, le dispositif peut être programmé pour arrêter ou redémarrer les alimentations. Les conditions d'erreur sont enregistrées sur la mémoire EEPROM interne. Le LTC2937 peut être programmé et contrôlé via I2C ou SMBus. La programmation est prise en charge par le logiciel GUI LTpowerPlay d'Analog Devices. La mémoire EEPROM offre un fonctionnement autonome, sans logiciel. Lorsqu'un système requiert plus de six rails d'alimentation, plusieurs modèles LTC2937 peuvent être mis en chaîne pour contrôler jusqu'à 300 alimentations.

Pour les processeurs multicœurs complexes, les FPGA et d'autres systèmes sur puce, Texas Instruments propose le TPS650860, une unité de gestion de l'alimentation à plusieurs rails configurable. Ce circuit intégré, doté d'une plage de tensions d'entrée de 5,6 V à 21 V, contient trois contrôleurs abaisseurs, trois convertisseurs abaisseurs, un régulateur linéaire à faible chute de tension (LDO) récepteur ou source, trois LDO à faible tension d'entrée, des régulateurs et trois commutateurs de charge (Figure 5).

Schéma fonctionnel du TPS650860 de Texas Instruments (cliquez pour agrandir)

Figure 5 : Un schéma fonctionnel du TPS650860 de Texas Instruments montre 13 sorties régulées avec contrôle total de leur séquencement. (Source de l'image : Texas Instruments)

Ce dispositif dispose de 13 sorties régulées pour répondre aux besoins du FPGA ou d'un autre dispositif de charge.

Les convertisseurs abaisseurs comprennent un étage de puissance intégré, tandis que les contrôleurs abaisseurs requièrent un étage de puissance externe. Les convertisseurs et les contrôleurs présentent des entrées de détection de tension intégrées pour surveiller les sorties d'alimentation, qui peuvent être contrôlées pour le séquencement. Les commutateurs de charge incluent le contrôle de la vitesse de balayage, permettant de programmer les rails associés à ces commutateurs pour l'un de ces trois types de séquence : séquentiel, ratiométrique ou simultané.

Le TPS650860 est contrôlé via une interface I2C, ce qui offre un contrôle simple grâce à un contrôleur intégré ou à un gestionnaire SoC associé. Ce circuit intégré de gestion de l'alimentation offre une flexibilité de contrôle de pointe.

Conclusion

De nombreuses méthodes existent pour contrôler l'ordre du démarrage ou de l'arrêt de l'alimentation, du processus le plus simple au plus complexe. Elles présentent des différences quant au nombre de rails contrôlés, à la précision et à la plage de fonctions de contrôle, ainsi qu'au coût.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Il est titulaire d'une licence en génie électrique du City College of New York et d'un master en génie électrique de la City University of New York. Il affiche plus de 50 ans d'expérience en électronique et a occupé des postes clés en ingénierie et en marketing chez Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek et Nicolet Scientific. Il s'intéresse aux technologies de mesure et possède une vaste expérience des oscilloscopes, des analyseurs de spectre, des générateurs de formes d'ondes arbitraires, des numériseurs et des wattmètres.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key