Capire e applicare i CI supervisori per evitare i problemi di glitch all'accensione a bassa tensione

Gli ingegneri più esperti sanno che uno dei momenti più rischiosi per un sistema è quello dell'accensione. A seconda delle costanti di tempo e della velocità con cui la linea di alimentazione arriva al valore nominale, i diversi CI e le parti del sistema possono avviarsi, bloccarsi o avviarsi in una modalità errata nel tentativo di interagire. La sfida si aggiunge al fatto che la temporizzazione e le prestazioni di variazione dei CI all'accensione possono essere una funzione della temperatura, dei condensatori associati, delle sollecitazioni meccaniche, dell'invecchiamento e di altri fattori.

Il problema potenziale si aggrava quando i rail di tensione in funzione scendono a valori bassi di una sola cifra, riducendo il margine di manovra per il funzionamento con il valore nominale del rail. Tutti questi fattori possono portare a prestazioni di avvio incoerenti e a sessioni di debug frustranti.

Per questi motivi, i produttori di CI analogici hanno sviluppato CI specializzati che offrono funzioni di gestione di supervisione che eliminano l'incertezza e l'incoerenza dell'accensione. Questo articolo definirà e caratterizzerà il problema dei glitch, mostrando poi come sia possibile evitarlo grazie all'aggiunta di alcuni piccoli CI specializzati di Analog Devices.

Che cos'è un glitch?

Come molti termini ingegneristici, quali "buffer" o "programmabile", la parola "glitch" ha significati diversi a seconda del contesto. Un'anomalia può essere:

• Un picco indotto dal rumore su un segnale o su una linea elettrica
• Una caduta improvvisa e di breve durata in un rail di alimentazione dovuta a un transitorio di carico.
• Un periodo di microsecondi in cui entrambi i MOSFET superiori e inferiori di un ponte vengono inavvertitamente accesi in contemporanea, a causa dei diversi tempi di accensione/spegnimento dei rispettivi gate driver (un evento molto negativo).
• Un segnale momentaneamente indeterminato e una condizione di competizione dovuta a tolleranze di temporizzazione e differenze tra i componenti

Questo articolo esamina i glitch che possono verificarsi durante il periodo di "accensione", quando l'alimentazione viene attivata e i CI stanno passando alla loro normale condizione operativa, soprattutto nei sistemi a bassa tensione. Questi glitch all'accensione sono particolarmente frustranti perché possono causare problemi intermittenti, difficili da analizzare, senza alcuna correlazione o coerenza apparente. Poiché le condizioni che inducono glitch sono spesso "al limite", il loro verificarsi può variare con la temperatura, la tolleranza del rail di alimentazione (pur rimanendo all'interno delle specifiche), le variazioni dei singoli componenti in un lotto dello stesso dispositivo e altri fattori difficili da determinare.

Che cos'è questo glitch e qual è la sua origine? Si consideri un sistema con un microcontroller e un CI di supervisione/protezione associato. Il ruolo di quest'ultimo è semplice e mirato: mantenere il funzionamento affidabile del sistema durante le condizioni di accensione, spegnimento e interruzione temporanea dell'energia elettrica (Figura 1).

Figura 1: Capire l'origine del glitch inizia da una semplice disposizione tipica di un microcontroller e del suo CI di supervisione/protezione, entrambi alimentati da una batteria e dal suo regolatore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In una tipica applicazione alimentata a batteria, il convertitore c.c./c.c. genera il rail di alimentazione da una piccola batteria a bassa tensione. Il CI supervisore viene generalmente aggiunto tra il convertitore c.c./c.c. e il microcontroller per monitorare la tensione di alimentazione e abilitare o disabilitare quest'ultimo.

Il CI supervisore garantisce un funzionamento affidabile monitorando accuratamente l'alimentazione del sistema e quindi asserendo o de-asserendo l'ingresso di abilitazione del microcontroller. L'abilitazione e la disabilitazione del microcontroller sono gestite tramite il pin di uscita di reset del CI supervisore. Questo pin è tipicamente un drain aperto collegato a un resistore pull-up da 10 kΩ. Il CI supervisore monitora la tensione di alimentazione e asserisce un reset quando la tensione di ingresso scende al di sotto della soglia di reset.

Dopo che la tensione monitorata sale al di sopra della tensione di soglia al valore nominale, l'uscita di reset rimane asserita per il periodo di timeout di reset e quindi si de-asserisce. Ciò consente al microcontroller di destinazione di uscire dallo stato di reset e di iniziare a funzionare.

Ma cosa succede alla linea di reset prima che il CI supervisore si attivi e la porti al livello basso? La risposta si trova osservando da vicino una tipica sequenza di accensione (Figura 2). Quando il circuito di alimentazione V_CC inizia ad accendersi, sia il microcontroller che il CI supervisore sono spenti. Di conseguenza, la linea di reset è fluttuante e il resistore pull-up da 10 kΩ fa sì che la sua tensione segua V_CC.

Figura 2: In una tipica sequenza di accensione, la linea di reset è flottante, quindi la sua tensione segue l'aumento della tensione di alimentazione V_CC. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo aumento di tensione può essere compreso tra 0,5 e 0,9 V, causando potenzialmente l'instabilità del sistema. Una volta acceso il CI supervisore, la linea di reset si abbassa per evitare che il microcontroller si accenda inavvertitamente. Questo glitch è comune a tutte le precedenti generazioni di CI supervisore.

I sistemi a bassa tensione amplificano il problema

Questo scenario di glitch diventa un problema importante con la tendenza verso dispositivi a bassa potenza che funzionano a tensioni sempre più basse. Si considerino i sistemi con tre livelli logici di 3,3 V, 2,5 V e 1,8 V (Figura 3). Per il sistema a 3,3 V, la soglia di bassa tensione in uscita (Vol) e la soglia di bassa tensione in ingresso (Vil) sono comprese tra 0,4 e 0,8 V. Se si verifica un glitch a 0,9 V, il processore potrebbe diventare instabile spegnendosi e riaccendendosi.

Figura 3: I livelli logici si sono ridotti da 3,3 V a 1,8 V, e così le relative soglie di tensione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La situazione per un sistema da 1,8 V nominali è più sensibile. Ora, Vol e Vil sono molto più bassi, a 0,45 e 0,63 V. Un glitch di 0,9 V in questo sistema rappresenta una percentuale più elevata, il che comporta un maggiore potenziale di errore.

Cosa accade in questa situazione quando il glitch impatta il funzionamento del sistema? Si consideri una tensione di alimentazione V_DD che sale lentamente a 0,9 V e qui "sosta" per un breve periodo (Figura 4). Anche se questa tensione non è sufficiente ad accendere il CI supervisore, il microcontroller potrebbe comunque essere abilitato e funzionare in modo instabile. Poiché il valore di 0,9 V è in uno stato indeterminato, il glitch può essere interpretato dall'ingresso RESET del microcontroller come un 1 o uno 0 logico, che lo abiliterebbe o disabiliterebbe in modo erratico.

Figura 4: Quando la tensione di alimentazione V_DD sale a 0,9 V e qui sosta, il microcontroller può accendersi e spegnersi in modo irregolare. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ciò fa sì che il microcontroller esegua istruzioni parziali o scritture incomplete nella memoria, tanto per citare due esempi possibili, causando probabilmente un malfunzionamento del sistema e un suo possibile comportamento catastrofico.

Risolvere il problema del glitch

Per ovviare a questo problema non è necessario tornare a rail di tensione più elevati, né richiedere complicate architetture a livello di sistema per ridurne l'impatto. È invece necessaria una nuova generazione di CI supervisori che riconoscano gli aspetti unici del problema e impediscano la formazione di glitch, indipendentemente dal livello di tensione durante l'accensione o una interruzione temporanea dell'energia elettrica.

Per tale scopo è necessario un circuito proprietario e un CI come MAX16162, un supervisore di alimentazione a nanopotenza con accensione senza glitch. Con questo piccolo CI, disponibile in contenitori WLP a quattro bump e SOT23 a quattro pin, l'uscita di reset viene mantenuta bassa ogni volta che V_DD è inferiore alla tensione di soglia, impedendo un glitch di tensione sulla linea di reset. Una volta raggiunta la soglia di tensione e completato il periodo di ritardo, l'uscita di reset si disattiva e abilita il microcontroller (Figura 5).

Figura 5: MAX16162 mantiene bassa l'uscita di reset ogni volta che V_DD è inferiore alla tensione di soglia, impedendo un glitch di tensione sulla linea di reset. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

A differenza dei CI supervisori convenzionali che non sono in grado di controllare lo stato dell'uscita di reset quando V_CC è molto bassa, l'uscita di reset di MAX16162 resta asserita fino al raggiungimento di un livello V_CC valido.

MAX16161 è un fratello stretto del modello MAX16162 con specifiche quasi identiche, ma con una differenza funzionale e una ridefinizione dell'assegnazione dei pin (Figura 6). È dotato di un ingresso per il reset manuale (MR) che asserisce un reset quando riceve un segnale di ingresso appropriato, che può essere attivo-basso o attivo-alto, a seconda dell'opzione selezionata. MAX16162, invece, non dispone di un ingresso MR ma di pin V_CC e V_IN separati, per tensioni di soglia fino a 0,6 V.

Figura 6: MAX16161 e MAX16162 sono simili, ma con una piccola differenza funzionale e di piedinatura: MAX16161 ha un ingresso MR che asserisce un reset quando riceve un segnale di ingresso appropriato, mentre MAX16162 ha pin V_CC e V_IN separati. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sequenziatore e supervisore

Un'altra coppia di termini che presenta una certa sovrapposizione e ambiguità è data da supervisore e sequenziatore. Un supervisore monitora una singola tensione di alimentazione e asserisce/rilascia il reset in circostanze definite. Un sequenziatore, invece, coordina i reset relativi e le affermazioni di "power OK" tra due o più rail.

MAX16161 e MAX16162 possono essere utilizzati come semplici sequenziatori di alimentazione (Figura 7). Dopo che la tensione di uscita del primo regolatore diventa valida, MAX16161/MAX16162 inserisce un ritardo e genera il segnale di abilitazione per il secondo regolatore quando termina il periodo di timeout di reset. Poiché MAX16161/MAX16162 non de-asserisce il reset finché la tensione di alimentazione non è corretta, l'alimentazione controllata non viene mai abilitata in modo errato.

Figura 7: Un circuito che utilizza MAX16161 può essere configurato in modo che il dispositivo non solo garantisca un'accensione senza glitch, ma gestisca anche la sequenza di alimentazione tra due rail. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ci sono anche molti progetti che hanno più rail e necessità di sequenze più complesse. In queste situazioni, il sequenziatore e supervisore di alimentazione multicanale LTC2928 di Analog Devices offre una soluzione (Figura 8).

Figura 8: Il sequenziatore di alimentazione LTC2928 gestisce la sequenza di accensione e spegnimento tra quattro rail indipendenti e consente all'utente di controllare i parametri chiave. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Questo sequenziatore di alimentazione a quattro canali in cascata e supervisore ad alta precisione consente ai progettisti di configurare le soglie, l'ordine e la temporizzazione delle sequenze di gestione dell'alimentazione utilizzando solo pochi componenti esterni. Assicura che i rail di alimentazione siano abilitati nell'ordine desiderato. Oltre al sequenziamento all'accensione, è in grado di gestire il sequenziamento complementare e spesso altrettanto critico dell'arresto.

Le uscite di sequenza sono utilizzate per controllare i pin di abilitazione dell'alimentazione o i gate passanti a canale N. Ulteriori funzioni di supervisione includono il monitoraggio e la segnalazione di sottotensioni e sovratensioni, nonché la generazione di reset da parte del microprocessore. Il tipo e l'origine dei guasti sono segnalati per la diagnosi. I controlli dei singoli canali sono disponibili per esercitare le uscite di abilitazione e le funzioni di supervisione in modo indipendente. Per i sistemi con più di quattro rail, è possibile collegare più LTC2928 per ottenere un numero illimitato di alimentatori.

Conclusione

I glitch sono presenti in ogni applicazione, ma non hanno rappresentato un problema significativo per le applicazioni ad alta tensione dominanti fino a poco tempo fa. Ora le tensioni di alimentazione si stanno abbassando, rendendo meno affidabile l'accensione del sistema a causa di glitch di 0,9 V.

Come dimostrato, i progettisti possono migliorare l'affidabilità utilizzando i più recenti CI supervisori che offrono un funzionamento senza glitch per fornire il massimo grado di protezione del sistema per le applicazioni a bassa potenza/bassa tensione.

Letture consigliate

1. Analog Devices/Maxim Integrated Products, Design Solution 7550, "La vostra applicazione è protetta dai glitch?" (in inglese)