Einleitung:
Moderne, prozessorbasierte Designs in der Embedded-System-Industrie benötigen eine Stromversorgung mit unterschiedlichen Spannungen. Neben den unterschiedlichen Spannungswerten muss beim Startvorgang eine bestimmte Reihenfolge eingehalten werden: Prozessorkern, zugehörige Peripheriegeräte, I/O-Busse (wie LVDS, I2C, SPI usw.) und Speicherressourcen. Diese Reihenfolge verhindert hohe Einschaltströme, die empfindliche Subsystemkomponenten während des Startvorgangs beschädigen könnten.

Der Trend zu höherer Integration führt dazu, dass ein größerer Teil der Funktionalität eingebetteter Systeme typischerweise in einem einzigen System-on-a-Chip (SoC) integriert wird, um die Leiterplattengröße und die Materialkosten zu reduzieren. Solche SoCs benötigen mehrere Stromschienen mit jeweils der passenden Spannung, um die zugehörigen Pins zu versorgen. Entwickler, die sich nicht auf SoC-Architekturen konzentrieren, verwenden in der Regel programmierbare Logik. Sobald FPGAs eine gewisse Größe erreichen, sehen sich Ingenieure mit einer ähnlichen (und in manchen Fällen sogar größeren) Komplexität der Stromschienen konfrontiert. Dieser Ansatz muss mitunter auf andere On-Board-Komponenten ausgeweitet werden, wie z. B. diskrete Bauelemente (MOSFETs, IGBTs usw.), Sensoren (CMOS-Bildsensoren, Magnetometer usw.) oder Aktoren (Motortreiber, LED-Treiber usw.), die möglicherweise separate Stromleitungen benötigen.

Selbst eine relativ einfache integrierte Systemimplementierung kann eine beträchtliche Anzahl von Versorgungsspannungen enthalten (mehr als zehn sind keine Seltenheit). Um die korrekte Reihenfolge zu gewährleisten, müssen technische Maßnahmen ergriffen werden: Die Ausgangsspannung eines Spannungsreglers muss einen ausreichenden Wert erreichen, bevor die Regler für die anderen Spannungsleitungen aktiviert werden. Da die Zeitmessung einfacher und genauer als die Spannungsmessung ist, ist ein zeitbasierter Ansatz oft effektiver, da er darauf beruht, dass der gewünschte Wert an einer Versorgungsspannung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums erreicht wird.

Obwohl die Zeitspanne zwischen der Aktivierung der einzelnen Schienen üblicherweise sehr kurz ist (im Millisekundenbereich), kann sie mitunter länger sein (tatsächlich mehrere Sekunden). Muss beispielsweise eine elektromechanische Komponente des Systems, wie etwa eine Heizung, ihre optimale Temperatur erreichen, bevor die nachfolgenden Systemelemente aktiviert werden, oder muss die zentrale Verarbeitungseinheit eine Kalibrierung durchführen, verlängert sich die benötigte Zeit. Dies muss dem Konstrukteur bewusst sein.

Verfügen die in das System integrierten diskreten Leistungswandler über die korrekten Trigger-Pins und Leistungsausgänge, können Ingenieure mithilfe des korrekten Leistungssignals sicherstellen, dass der nächste Wandler in der Sequenz erst dann eingeschaltet wird, wenn die vorherige Versorgungsspannung einen Wert erreicht hat, der für die Auslösung dieses Signals ausreicht. Fehlt einem oder mehreren Wandlern ein Trigger-Eingang, kann die Sequenzierung durch Ansteuerung des Gates eines in Reihe mit dem Ausgang geschalteten MOSFET mithilfe des Einschaltsignals realisiert werden.

Steht kein zuverlässiges Versorgungsspannungssignal zur Verfügung, benötigen Ingenieure unter Umständen zusätzliche Schaltungen. Diese Schaltungen ermöglichen die Abtastung der Ausgangsspannung eines Leistungswandlers, um ein Triggersignal für einen anderen Leistungswandler zu generieren. Alternativ zur Spannungsabtastung kann eine Zeitschaltung verwendet werden. Beide Ansätze erfordern jedoch eine große Anzahl an Bauteilen, was zu hohen Materialkosten, einem großen Platzbedarf auf der Leiterplatte und einem erhöhten Entwicklungsaufwand führt. Darüber hinaus definieren diskrete Schaltungen häufig eine umgekehrte Sequenz beim Abschalten des Systems. Anstelle eines diskreten Ansatzes kann eine integrierte Leistungssequenzierung oder eine PMIC-basierte Alternative besser geeignet sein.

Zur einfachen Implementierung kann der LM3880 (Funktionsblockdiagramm siehe Abbildung 1) für die Einschaltsequenzierung verwendet werden (das Abschaltverfahren des Geräts folgt der gleichen Sequenz und den gleichen Zeitintervallen wie das Einschalten, jedoch in umgekehrter Reihenfolge). Dank seiner drei Open-Drain-Ausgänge (die beim Einschalten auf Low-Pegel gehalten werden) kann er Triggersignale für bis zu drei Versorgungsspannungen generieren. Durch Kaskadierung zweier Sequenzer-ICs lassen sich sechs sequenzierte Versorgungsspannungen realisieren. Der PMIC verfügt über einen eigenen Präzisionstrigger-Eingang, der mit einem internen Komparator mit 1,25-V-Referenzspannung verbunden ist. Dadurch können Entwickler die Einschaltsequenz so konfigurieren, dass sie startet, sobald ein Logiksignal empfangen wird oder eine andere Versorgungsspannung einen bestimmten vordefinierten Wert erreicht. Ein Kondensator am Trigger-Eingang kann eine Verzögerung erzeugen.
Bei erfolgreicher Aktivierung wird das erste Ausgangsflag nach einer voreingestellten Verzögerung (im EPROM während des OEM-Produktionsprozesses programmiert) bestätigt. Anschließend vergeht dieselbe Zeitspanne, bis das zweite Flag bestätigt wird, und erneut bis zur Bestätigung des dritten und letzten Flags. Es stehen sechs voreingestellte Zeiteinstellungen zur Verfügung, die Verzögerungen von 2 ms bis 120 ms ermöglichen.

Der Maxim MAX16029 ist ein Überwachungsgerät mit einstellbarer Zeitverzögerung über einen Kondensator. Er ermöglicht die Sequenzierung von bis zu vier Spannungsschienen mit einem einzigen PMIC. Der Hersteller bietet außerdem Sequenzierungsgeräte an, die es Ingenieuren erlauben, die Synchronisierung über PMBus-Schnittstellen zu definieren und so mehrere Geräte in Sternschaltung zu betreiben, um eine große Anzahl von Spannungsschienen zu steuern.

Die Tatsache, dass die Sequenzierungstechnologie mehrere Leistungselemente integriert, ermöglicht es Ingenieuren, von einer deutlichen Reduzierung des Platinenbedarfs und insgesamt weniger komplexen Systemen zu profitieren. Der PMIC TPS65916 verfügt über fünf integrierte, konfigurierbare Abwärtswandler, die den Prozessorkern sowie die verschiedenen Speicher- und I/O-Bereiche einer Vielzahl von Mikroprozessoren mit Strom versorgen. Dank adaptiver Spannungsanpassung gewährleisten diese Wandler einen energieeffizienten Betrieb, der die dem System zugewiesene Leistung nicht beeinträchtigt. Zusätzlich enthält der PMIC fünf Niedrigstrom-Abschaltregler für den Einsatz in Umgebungen mit niedriger Spannung oder geringem Rauschen. Der Ingenieur kann die Ein- und Ausschaltsequenzen einmalig im programmierbaren Speicher konfigurieren und so seinen individuellen Anforderungen anpassen.

Unter bestimmten Umständen kann ein komplexerer Sequenzierungsprozess erforderlich sein, der die Berücksichtigung zusätzlicher Spannungsschienen erfordert. In solchen Fällen muss die Ein- und Ausschaltsequenzierung präziser gesteuert werden, da die Verwendung eines einfachen Sequenzers oder eines universellen PMIC möglicherweise nicht ausreicht; stattdessen können die vollen Programmiermöglichkeiten eines Mikrocontrollers (MCU) benötigt werden.

Die bekannte PIC16F1XXX-Serie von Microchip (siehe Abbildung 2) bietet Ingenieuren eine Lösung zur Steuerung der Leistungssequenzierung und kann mehrere Spannungsschienen verwalten. Die integrierte, benutzerprogrammierbare Firmware ermöglicht die Definition der erforderlichen Zeitabläufe. Das Gerät bietet zudem umfangreiche Optionen zur Anpassung der Leistungskriterien sowie der Anstiegs- und Abfallzeiten des Stroms. Der 10-Bit-Analog-Digital-Wandler digitalisiert jede Schiene 16-mal und berechnet anschließend einen Mittelwert für eine präzise Leistungsbewertung. Die Diagnosefunktionen des Mikrocontrollers ermöglichen eine schnelle Warnung bei einem Ausfall der Stromversorgung.

Zusammenfassung:
Wie bereits erwähnt, ist die korrekte Ein- und Ausschaltreihenfolge elektronischer Schaltungen entscheidend. Dies gewährleistet die langfristige Betriebssicherheit und beeinträchtigt die Systemzuverlässigkeit nicht. Die verfügbaren Optionen reichen von einfachen Sequenzern bis hin zu funktionsreichen PMICs und vollständig programmierbaren MCUs. Angesichts der vielfältigen Marktangebote gilt es lediglich, die für die wichtigsten Designziele (z. B. maximale Leistung, reduzierte Materialkosten, optimale Platzverhältnisse, minimaler Stromverbrauch) am besten geeignete Sequenzierungsmethode auszuwählen und anschließend die benötigten Bauteile zu beschaffen.

Autor: Mirko Bernacchi, Mouser Electronics

 
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