Håndtering av støy og feil i strømforsyningen

Blant annet kan defekter i strømforsyningen, som støy, spenningsforstyrrelser og transienter, føre til falske og plagsomme tilbakestillinger som kan påvirke systemets oppførsel. Denne artikkelen viser hvordan spenningsovervåkere adresserer faktorer som kan utløse dette for å forbedre systemets ytelse og pålitelighet.

Introduksjon

Applikasjoner som beregner og behandler data som krever feltprogrammerbare portmatriser (FPGA-er), mikroprosessorer, digitale signalprosessorer og mikrokontrollere er avhengige av sikker og pålitelig drift. Disse komponentene stiller store krav til strømforsyningen, ettersom de bare har lov til å operere innenfor et visst område av strømforsyningstoleransen. Spenningsovervåkere er kjente løsninger for å få systempålitelighet. De kan umiddelbart sette systemet i tilbakestillingsmodus når det oppstår en uventet feil fra strømforsyningen, for eksempel under- eller overspenning. Overvåking av spenninger i strømforsyningsskinner kommer imidlertid alltid med noen ulemper som kan utløse uønskede, falske tilbakestillinger ved utgangen. Dette er strømforsyningsstøy, spenningstransienter og feil som kan komme fra selve strømforsyningskretsen.

Denne artikkelen diskuterer ulike parametere i en spenningsovervåker som ser på uønsket strømforsyningsstøy, spenningstransienter og feil. Den diskuterer også hvordan disse parametrene forbedrer nøyaktigheten til spenningsovervåkere når de overvåker strømforsyninger for å øke påliteligheten til systemet i applikasjonen.

Strømforsyningsstøy, spenningstransienter og feil i et system

Strømforsyninger har iboende ufullkommenheter. Det er alltid noe støy koblet på likestrømsforsyningen som kan komme fra selve strømforsyningskomponenten, støy fra andre strømforsyninger og annen støy generert fra systemet. Disse problemene kan bli verre hvis likestrømsforsyningen er en svitsjet strømforsyning (SMPS). SMPS produserer små svitsjebølger som er koherent med svitsjefrekvensen. De produserer også høyfrekvente svitsjetransienter som oppstår under svitsjeoverganger. Disse overgangene er forårsaket av rask av- og påkobling av strøm-MOSFET-ene. Figur 1 viser en applikasjonskrets der MAX705-overvåkeren brukes til å overvåke eventuelle feil i utgangen til svitsjeregulatoren, som er spenningsforsyningen til mikrokontrolleren.

Bortsett fra iboende støy ved stasjonær drift, finnes det også scenarier i strømforsyningen der spenningstransienter er mer tydelige. Under oppstart observeres vanligvis en spenningsoversving relatert til responsen i tilbakekoblingssløyfen til strømforsyningen, og etterfølges av spenningsringing til den når stabilitet. Denne ringingen kan bli verre hvis tilbakekoblingssløyfens kompensasjonsverdier ikke er optimalisert. Spenningsoversving og -undersving kan også observeres under transient eller dynamisk belastning. I noen applikasjoner hender det at lasten trenger mer strøm for å utføre komplekse prosesser, noe som fører til et spenningsundersving. På den annen side vil det å redusere lasten umiddelbart eller med en rask rampehastighet, gi et spenningsoversving. Kortvarige spenningsfeil kan også oppstå i strømforsyningen på grunn av eksterne faktorer.

Figur 2 viser en illustrasjon av de forskjellige spenningstransientene og feilene som kan være til stede på en strømforsyningsspenning i forskjellige scenarier.

Ustabilitet

Det finnes spenningstransienter som kan oppstå i et system som ikke er knyttet til strømforsyningsspenningen, men snarere til et brukergrensesnitt, for eksempel en mekanisk bryter eller et ledende kort i noen applikasjoner. Å slå en bryter av og på produserer spenningstransienter og støy på inngangspinnen, vanligvis en manuell tilbakestillingspinne. Alle disse faktorene – strømforsyningsstøy, spenningstransienter og feil, hvis de er for store – kan utilsiktet treffe underspennings- eller overspenningsterskelen til en overvåker og utløse falske tilbakestillinger hvis det ikke tas hensyn til i designet. Dette kan føre til oscillerende oppførsel og ustabilitet, noe som er uønsket med tanke på påliteligheten til systemet.

Hvordan håndterer spenningsovervåkere støy og transienter for å hindre uønsket tilbakestilling av systemet? Det finnes parametere som bidrar til å maskere disse transientene som er knyttet til strømforsyningen eller den overvåkede spenningen. Disse er tilbakestilling (reset) av avbruddsperioden, terskelhysterese og terskelens overstyring kontra varighet. For transientene som er knyttet til den mekaniske kontakten i kretsen, for eksempel en trykknappbryter koblet til den manuelle tilbakestillingspinnen, vil den manuelle tilbakestillingens oppsettperiode og forsinkelsestiden maskere transientene. Disse parametrene gjør spenningsovervåkerne robuste og upåvirket av transienter og feil, og dermed hindres uønsket respons fra systemet.

Tilbakestillings-timeout-perioden (Reset Timeout Period (tRP))

Under oppstart, eller når forsyningsspenningen stiger fra en underspenningshendelse og overstiger terskelen, tar det ekstra tid før tilbakestillingssignalet deaktiveres. Dette kalles tilbakestillings-timeout-perioden (tRP). Som et eksempel viser figur 3 at etter at den overvåkede spenningen – som i dette tilfellet er forsyningsspenningen merket som VCC – når terskelen fra en underspenning eller oppstart, er det en ekstra forsinkelse for en aktiv

LAV-tilbakestilling før den deaktiveres HØY. Denne ekstra tiden gir rom for at den overvåkede spenningen stabiliserer seg først, og maskerer oversving og ringing før systemet aktiveres eller tas ut av tilbakestillingsmodus. Tilbakestillings-timeout-perioden undertrykker falske systemtilbakestillinger for å forhindre oscillasjon og potensiell funksjonsfeil som igjen bidrar til å forbedre systemets pålitelighet.

Terskelhysterese (VTH+)

Det er to hovedfordeler med å ha terskelhysterese. For det første gir det sikkerhet for at den overvåkede spenningen har overvunnet terskelnivået med nok margin før en tilbakestilling deaktiveres. For det andre gir det rom for strømforsyningen å stabilisere seg først før en tilbakestilling deaktiveres. Det er en tendens til at tilbakestillingsutgangen produserer flere overganger når signaler med overliggende støy behandles, ettersom strømforsyningen svinger (fall og økninger i spenningen) og krysser terskelområdet igjen. I industrielle miljøer kan støyende signaler og spenningsfluktuasjoner oppstå når som helst. Uten hysterese vil tilbakestillingsutgangen kontinuerlig veksle mellom å aktivere og deaktivere inntil strømforsyningen stabiliserer seg. Det vil også sette systemet i oscillasjon. Terskelhysterese kurerer oscillasjonen ved å sette systemet i hold på tilbakestilling for å forhindre uønsket oppførsel som vist i det blå skyggelagte området i figur 4. Dette hjelper overvåkeren med å beskytte systemet mot falske tilbakestillinger.

Tilbakestilt terskeloverstyring vs. varighet

Spenningsfeil fra eksterne faktorer kan oppstå i ethvert system i enten korte eller lange perioder. De kan også ha ulik størrelse på spenningsfallet. Overstyring ved tilbakestillingsterskel vs. transientvarighet har noe å gjøre med størrelsen og varigheten av spenningsfeilen eller overstyringen. En kortvarig feil med større størrelse vil ikke utløse et tilbakestillingssignal, mens en overstyring med mindre størrelse og lengre varighet vil utløse en tilbakestilling, som vist i figur 5.

Spenningstransienter i den overvåkede forsyningen ignoreres avhengig av varigheten. Å ignorere disse transientene vil beskytte systemet mot plagsomme tilbakestillinger, for eksempel de som forårsakes av kortvarige feil. Disse feilene kan utløse feilaktige systemtilbakestillinger, noe som fører til uønsket oppførsel for systemet. I produktdatabladet er ofte tilbakestillingsterskelens overstyring kontra varighet illustrert i et av de typiske ytelsesplottene, som i figur 6. Eventuelle verdier over kurven vil utløse en tilbakestillingsutgang, mens verdier innenfor kurven vil bli ignorert for å forhindre feilaktige tilbakestillinger av systemet.

Manuell tilbakestillings oppsettperiode (tMR) og avhoppingstid (tDB)

Tilbakestillingstiden, terskeloverstyring vs. varighet og terskelhysterese adresserer spenningsfeil og transienter knyttet til den overvåkede spenningen, som vanligvis er strømforsyningen til systemets mikrokontroller. For feil forårsaket av mekaniske kontakter som brytere, reduserer den manuelle tilbakestillingsoppsettperioden og avhoppingstiden (Debounce Time) de mulige effektene av spenningstransienter og feil.

Den manuelle tilbakestillings oppsettperioden (tMR) er tiden som kreves for at den manuelle tilbakestillingen skal holde og fullføres før den utløser en tilbakestilling ved utgangen. Noen overvåkere er laget for å ha en lang manuell tilbakestillings oppsettperiode for å legge beskyttelse til systemet. Disse er vanlige på forbrukerprodukter der du må holde inne knappen i flere sekunder for å tilbakestille systemet. Denne metoden unngår utilsiktet tilbakestilling, og dermed øker beskyttelse og pålitelighet. Med den manuelle tilbakestillingsoppsettperioden ignoreres alle kortvarige transienter og feil når du trykker på bryteren, som vist i figur 7a, og dermed bidrar til at systemet er immunt mot feil.

Det samme konseptet gjelder avhoppingstiden. I likhet med oppsettperioden ignorerer avhoppingstiden (tDB) høyfrekvente periodiske spenningstransienter når en bryter trykkes av eller på. Disse høyfrekvente transientene anses som ugyldige og utløser ikke en tilbakestilling, som vist i figur 7b. Når signalet overskrider avhoppingstiden, vil det bli ansett som et gyldig inngangssignal fra en bryter eller en trykknapp.

Konklusjon

Uten spenningsovervåkere risikerer systemer strømbrudd og funksjonsfeil under spenningstransienter og midlertidige feil. Spenningsovervåkere løser dette ved å sette prosessorer i tilbakestillingsmodus under slike scenarier. Alle parametrene som er omtalt ovenfor, inkludert tilbakestillingstidsavbrudd periode, terskelhysterese, terskeloverstyring, manuell tilbakestillingsperiode og avhoppingstid, forbedrer påliteligheten til spenningsovervåkere i overvåking av strømforsyningsspenninger ved å gjøre dem immune mot feil og transienter. Dette gir stabilitet og pålitelighet til den generelle systemytelsen.