Introdução:
Os projetos contemporâneos baseados em processadores utilizados na indústria de sistemas embebidos requerem alimentação a diferentes tensões. Para além de apresentarem valores distintos, as tensões de alimentação devem seguir uma sequência específica no arranque: núcleo do processador, periféricos relacionados, barramentos de E/S (como LVDS, I2C, SPI, etc.) e recursos de memória. Esta sequência previne o risco de correntes de pico elevadas que poderiam danificar componentes sensíveis do subsistema durante o processo de arranque.
A tendência para níveis crescentes de integração significa que mais funcionalidades de um sistema embebido são tipicamente incluídas num único Sistema num Chip (SoC) para reduzir a área ocupada na placa e os custos da lista de materiais (BOM). Estes SoC requerem múltiplas linhas de alimentação, cada uma com o nível de tensão apropriado, para fornecer energia aos seus pinos associados. Aqueles que não se concentram em arquiteturas de SoC utilizam frequentemente lógica programável e, quando os FPGA atingem um tamanho significativo, os engenheiros enfrentam uma complexidade semelhante (e, em alguns casos, maior) nas linhas de alimentação. Esta abordagem tem por vezes de ser estendida a outros componentes na placa, tais como dispositivos discretos (MOSFETs, IGBTs, etc.), sensores (dispositivos de imagem CMOS, magnetómetros, etc.) ou atuadores (drivers de motor, drivers de LED, etc.), que podem exigir linhas de alimentação dedicadas.
Mesmo uma implementação de um sistema integrado relativamente simples pode conter um número significativo de pistas (não é invulgar que este número exceda 10). Devem ser tomadas medidas de engenharia para garantir que a sequência correta é mantida: a saída fornecida por um regulador de potência deve atingir um nível suficiente antes de os reguladores para outras linhas de tensão serem ativados. Uma vez que o tempo é mais fácil de medir com precisão do que a tensão, uma abordagem baseada no tempo é frequentemente mais eficaz, uma vez que se baseia na expectativa de que o valor desejado numa pista de tensão seja atingido num período de tempo predeterminado.
Embora o intervalo de tempo entre a ativação de cada carril seja geralmente muito curto (questão de milissegundos), por vezes pode ser maior (vários segundos, na verdade). Se, por exemplo, um componente eletromecânico do sistema, como um aquecedor, necessitar de atingir a sua temperatura ideal antes de os elementos subsequentes do sistema serem ativados, ou se a unidade central de processamento necessitar de completar um procedimento de calibração, o tempo necessário aumenta, e o engenheiro de projeto deve estar ciente disso.
Se os conversores de potência discretos integrados no sistema possuírem os pinos de disparo e as saídas de potência corretas, os engenheiros podem utilizar o sinal de potência adequado para garantir que o conversor seguinte da sequência só é ativado quando a tensão de alimentação anterior atingir um valor suficiente para disparar esse sinal. Se um ou mais conversores não possuírem uma entrada de disparo, os engenheiros podem realizar a sequenciação utilizando o sinal de ativação para acionar o gate de um MOSFET ligado em série com a saída.
Nos casos em que não está disponível um sinal de alimentação fiável, os engenheiros podem necessitar de circuitos adicionais para prestar suporte. Estes circuitos permitem que a tensão de saída de um conversor de energia seja amostrada para gerar um sinal de disparo para outro conversor. Uma alternativa à amostragem de tensão é a utilização de circuitos de temporização. No entanto, ambas as abordagens requerem um número significativo de componentes, resultando numa lista de materiais dispendiosa, uma grande área ocupada na placa de circuito impresso e a alocação de recursos de engenharia adicionais. Além disso, os arranjos discretos definem geralmente uma sequência inversa quando o sistema é desligado. Em vez de uma abordagem discreta, os engenheiros podem considerar o sequenciamento de energia integrado ou uma alternativa baseada em PMIC mais adequada.
Para facilitar a implementação, o microcontrolador LM3880 (um diagrama de blocos funcional deste componente é apresentado na Figura 1) pode ser especificado para sequenciação de energia (o procedimento de desligar o dispositivo segue a mesma sequência e intervalos de tempo do arranque, mas por ordem inversa). Graças aos seus três marcadores de saída de dreno aberto (que são mantidos a um nível baixo no início do arranque), tem a capacidade de gerar sinais de disparo para até três pistas de tensão, com a opção de ligar em cascata dois circuitos integrados sequenciadores para fornecer seis pistas sequenciadas. O PMIC incorpora a sua própria entrada de disparo de precisão, que se liga a um comparador interno com uma referência de 1,25 V, permitindo aos engenheiros configurar a sequência de arranque para começar assim que um sinal lógico é recebido ou quando outra pista de tensão atinge um nível predeterminado específico. Um condensador pode ser ligado à entrada de disparo para introduzir um atraso. 
Quando a ativação é bem-sucedida, o primeiro sinal de saída é confirmado após um atraso predefinido (programado na EPROM durante o processo de produção do OEM). O mesmo período de tempo decorre até que a segunda flag seja confirmada, e novamente até que a terceira e última flag seja confirmada. Estão disponíveis seis definições de tempo predefinidas, oferecendo atrasos que variam entre 2 ms e 120 ms.
O Maxim MAX16029 é um dispositivo de monitorização que também oferece um atraso de tempo ajustável por condensador. Pode ser utilizado para sequenciar até quatro pistas de tensão com um único PMIC. Este fabricante também oferece dispositivos de sequenciação que permitem aos engenheiros definir a sincronização através de interfaces PMBus e, assim, ligar várias unidades em estrela para lidar com um grande número de pistas de tensão.
O facto de a tecnologia de sequenciação incorporar múltiplos elementos de alimentação permite aos engenheiros beneficiar de reduções significativas na utilização da placa, bem como de sistemas menos complexos em geral. O PMIC TPS65916 possui cinco conversores abaixadores configuráveis integrados que alimentam o núcleo do processador, bem como as diversas pools de memória e E/S presentes numa ampla variedade de microprocessadores. Como suportam o escalonamento adaptativo de tensão, estes conversores são capazes de proporcionar um funcionamento eficiente em termos energéticos que não impacta a potência alocada ao sistema. Além disso, o PMIC também incorpora cinco controladores de desligamento de baixa corrente para lidar com ambientes de baixa tensão ou baixo ruído. O engenheiro pode configurar as sequências de arranque e fecho a partir da memória programável uma única vez, de acordo com as suas necessidades.
As circunstâncias podem exigir um processo de sequenciação mais complexo que requer a consideração de tensões adicionais. Nestes casos, a sequenciação de arranque e paragem deve ser controlada de forma mais sofisticada, pois especificar um sequenciador simples ou um PMIC de uso geral pode não ser suficiente; em vez disso, podem ser necessárias todas as capacidades de programação oferecidas por uma unidade de microcontrolador (MCU).
A conhecida série PIC16F1XXX da Microchip (apresentada na Figura 2) oferece aos engenheiros uma solução de sequenciação de energia capaz de gerir múltiplas tensões de alimentação. O seu firmware integrado e programável pelo utilizador permite definir o tempo necessário. O dispositivo oferece ainda diversas opções para ajustar os critérios de potência corretos, bem como os tempos de subida e descida da corrente. O conversor analógico-digital de 10 bits digitaliza cada tensão de alimentação 16 vezes e, em seguida, calcula um valor médio para uma avaliação precisa do desempenho. As capacidades de diagnóstico do microcontrolador fornecem alertas rápidos em caso de falha da fonte de alimentação.
Resumo:
Como vimos, é crucial garantir que a sequência correta é utilizada quando se liga ou desliga circuitos eletrónicos. Isto mantém a integridade operacional a longo prazo e não compromete a fiabilidade do sistema. As opções disponíveis variam desde sequenciadores básicos a PMICs com diversas características e MCUs totalmente programáveis. Dada a grande variedade de opções no mercado, trata-se simplesmente de avaliar qual o método de sequenciação mais adequado aos principais objetivos do projeto (seja maximizar o desempenho, reduzir o custo da lista de materiais, cumprir as restrições de espaço, minimizar o consumo de energia do sistema, etc.) e, em seguida, adquirir os dispositivos necessários.
Autor: Mirko Bernacchi, Mouser Electronics
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