Compreenda e implemente CIs de supervisão para evitar falhas de energia de baixa tensão

Engenheiros experientes sabem que um dos momentos mais arriscados para um sistema é quando a energia é aplicada. Dependendo das constantes de tempo e da suavidade e rapidez com que a alimentação chega até o valor nominal, os diferentes CIs e partes do sistema podem iniciar, travar ou iniciar em modo incorreto enquanto tentam trabalhar um com o outro. Além disso, o desafio é que o desempenho dos CIs na energização, relacionado à temporização e taxa de variação, podem ser uma função da temperatura, capacitores associados, tensão mecânica, envelhecimento e outros fatores.

O problema potencial é agravado à medida que as tensões de operação das trilhas caem para valores baixos de um dígito, reduzindo a quantidade de "folga" ou margem de manobra para funcionar com o valor nominal da trilha. Todos esses fatores podem levar a um desempenho de inicialização inconsistente e sessões de depuração frustrantes.

Por estas razões, os fornecedores de CI analógicos desenvolveram CIs especializados que oferecem características de gerenciamento de supervisão que eliminam a incerteza e a inconsistência da energização. Este artigo define e caracteriza o problema de falha, e então mostrará como ele pode ser evitado através da adição de alguns CIs pequenos e especializados da Analog Devices.

O que é uma falha?

Como em muitos termos de engenharia como "buffer" ou "programável", a palavra "falha" tem significados diferentes, dependendo do contexto. Uma falha pode ser:

• Um pico induzido por ruído em um sinal ou linha de energia
• Uma queda repentina e breve em uma trilha da fonte de alimentação devido a um transiente de carga
• Um período de microssegundos quando tanto o MOSFET superior quanto o inferior de uma ponte são ligados simultaneamente de forma inadvertida, como resultado de diferentes tempos de ativação/desativação em seus acionadores de porta (uma ocorrência muito ruim)
• Um sinal momentâneo indeterminado e condição de corrida devido a tolerâncias de tempo e diferenças entre componentes

Este artigo analisa a falha que pode ocorrer durante o período de "energização" quando a energia é ligada, e os CIs estão em transição para suas condições normais de operação, especialmente em sistemas de baixa tensão. Tais falhas de energia são especialmente frustrantes, pois podem causar problemas intermitentes e difíceis de depurar que não têm correlação ou consistência aparente. Como as condições indutoras de falhas estão frequentemente "no limite", sua ocorrência pode variar com a temperatura, a tolerância à alimentação na trilha (ainda dentro da especificação), variações individuais de componentes em um lote do mesmo dispositivo, e outros fatores difíceis de determinar.

O que é esta falha e qual é a sua fonte? Considere um sistema com um microcontrolador e um CI de supervisão/proteção associado com sinal de reinicialização ou reset. O papel do último CI é simples e focalizado: manter a operação confiável do sistema durante as condições de energização, desligamento e apagão (Figura 1).

Figura 1: A compreensão de uma fonte de falha começa com um olhar sobre um arranjo simples e típico de um microcontrolador e seu CI de supervisão/proteção associado, ambos alimentados por uma bateria e seu regulador. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Em uma aplicação típica alimentada por bateria, o conversor CC-CC gera a alimentação na trilha a partir de uma bateria pequena e de baixa tensão. O CI de supervisão é geralmente adicionado entre o conversor CC-CC e o microcontrolador para monitorar a tensão de alimentação e ativar ou desativar o microcontrolador.

O CI de supervisão garante uma operação confiável através do monitoramento preciso da fonte de alimentação do sistema e, em seguida, ativa ou desativa a entrada de habilitação do microcontrolador. A ativação e desativação do microcontrolador é gerenciada através do pino de saída de reset do CI supervisor. Este pino é normalmente um dreno aberto que é conectado a um resistor de pull-up de 10 quilohm (kΩ). O CI de supervisão monitora a tensão da fonte de alimentação e ativa um reset quando a tensão de entrada cai abaixo do limiar de reset.

Depois que a tensão monitorada sobe acima da tensão limite até seu valor nominal, a saída de reset permanece ativada por um período de tempo limite de reset e, em seguida, desativa. Isto permite que o microcontrolador alvo deixe o estado de reset e comece a operar.

Mas o que acontece com a linha de reset antes que o CI de supervisão ligue e a leve ao nível baixo? A resposta é encontrada observando atentamente uma sequência típica de energização (Figura 2). Quando o V_CC da trilha de alimentação começa a funcionar, tanto o microcontrolador quanto o CI de supervisão estão desligados. Como consequência, a linha de reset é flutuante e o resistor de pull-up de 10 kΩ faz com que sua tensão siga o V_CC.

Figura 2: Em uma sequência típica de energização, a linha de reset é flutuante, de modo que sua tensão acompanha o aumento do V_CC na trilha de alimentação. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Este aumento de tensão pode estar entre 0,5 e 0,9 volts, podendo causar instabilidade do sistema. Uma vez que o CI de supervisão é ligado, a linha de reset é levada ao nível baixo para evitar que o microcontrolador se ligue inadvertidamente. Esta falha é comum a todas as gerações anteriores dos CIs de supervisão.

Sistemas de baixa tensão ampliam o problema

Este cenário de falha torna-se uma grande preocupação com a tendência para dispositivos de baixa potência que estão operando em tensões cada vez mais baixas. Considere sistemas com três níveis lógicos de 3,3 volts, 2,5 volts e 1,8 volts (Figura 3). Para o sistema de 3,3 volts, o limiar de baixa tensão de saída (Vol) e o limiar de baixa tensão de entrada (Vil) estão entre 0,4 volts e 0,8 volts. Se ocorrer uma falha a 0,9 volts, isso poderia fazer com que o processador se tornasse instável, desligando-o e ligando-o.

Figura 3: Os níveis lógicos diminuíram de 3,3 volts para 1,8 volts e, portanto, têm limites de tensão associados. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A situação para um sistema nominal de 1,8 volts é mais sensível. Agora, Vol e Vil estão muito mais baixos a 0,45 volts e 0,63 volts. Uma falha de 0,9 volts neste sistema representa uma porcentagem maior, dando-lhe um maior potencial de erro.

O que acontece nesta situação quando a falha impacta o funcionamento do sistema? Considere uma tensão V_DD da fonte de alimentação que sobe lentamente até 0,9 V e "fica" ali por um curto período de tempo (Figura 4). Embora esta tensão não seja suficiente para ligar o CI de supervisão, o microcontrolador ainda poderia ser ativado e funcionar em um estado instável. Como o valor de 0,9 V está em um estado indeterminado, a falha pode ser interpretada pela entrada RESET do microcontrolador como uma lógica 1 ou 0, o que o habilitaria ou desabilitaria de forma errada.

Figura 4: Como a tensão V_DD da fonte de alimentação sobe até 0,9 V e fica ali, o microcontrolador pode ser ligado e desligado de forma errada. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Isto faz com que o microcontrolador execute instruções parciais ou escreva de forma incompleta na memória, como apenas dois exemplos do que pode acontecer, provavelmente causando mau funcionamento do sistema e possível comportamento catastrófico do sistema.

Resolvendo o problema da falha

A superação deste problema não requer um retorno às tensões mais altas na trilha, nem exige arquiteturas complicadas ao nível do sistema para eliminar sua ocorrência ou minimizar seu impacto. Em vez disso, requer uma nova geração de CIs de supervisão que reconheçam os aspectos únicos do problema e evitem a geração de falhas, independentemente do nível de tensão durante as condições de energização ou apagão.

Atingir este resultado requer um circuito proprietário e um CI como o MAX16162, um supervisor de alimentação de nanopotência com energização isenta de falhas. Com este minúsculo CI — disponível em invólucros WLP de quatro eletrodos e SOT23 de quatro pinos — a saída de reset é mantida baixa sempre que o V_DD estiver abaixo da tensão limite, evitando uma falha de tensão na linha de reset. Uma vez atingido o limite de tensão e completado o período de atraso, a saída de reset desativa e habilita o microcontrolador (Figura 5).

Figura 5: O MAX16162 mantém a saída de reset baixa sempre que o V_DD estiver abaixo da tensão limite, evitando uma falha de tensão na linha de reset. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Ao contrário dos CIs de supervisão convencionais que são incapazes de controlar o estado de reset da saída quando o V_CC é muito baixo, a saída de reset do MAX16162 é garantida até que um nível válido de V_CC seja alcançado.

O MAX16161 é um irmão próximo do MAX16162 com especificações quase idênticas, mas com uma diferença funcional e alguma redefinição de atribuições dos pinos (Figura 6). Ele apresenta uma entrada de reset manual (MR) que ativa um reset quando recebe um sinal de entrada apropriado, que pode ser ativo-baixo ou ativo-alto, dependendo da opção selecionada. Em contraste, o MAX16162 não tem entrada MR, mas tem pinos separados de V_CC e V_IN, permitindo tensões de limiar tão baixas quanto 0,6 volts.

Figura 6: O MAX16161 e MAX16162 são similares, mas com uma pequena diferença funcional e de pinagem: o MAX16161 tem uma entrada MR que ativa um reset quando recebe um sinal de entrada apropriado, enquanto o MAX16162 tem pinos separados de V_CC e V_IN. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Sequenciador versus supervisor

Outro par de termos que têm alguma sobreposição e ambiguidade são supervisor e sequenciador. Um supervisor monitora uma única tensão da fonte de alimentação e ativa/libera o sinal de reset sob circunstâncias definidas. Em contraste, um sequenciador coordena os resets relativos e as ativações de "power OK" entre duas ou mais trilhas.

O MAX16161 e o MAX16162 podem ser usados como sequenciadores simples da fonte de alimentação (Figura 7). Após a tensão de saída do primeiro regulador tornar-se válida, o MAX16161/MAX16162 insere um atraso e gera o sinal de habilitação para o segundo regulador após o período de tempo limite do reset. Como o MAX16161/MAX16162 nunca desativa o reset até que a tensão de alimentação esteja correta, a alimentação controlada nunca é habilitada incorretamente.

Figura 7: Um circuito usando o MAX16161 pode ser configurado para que o dispositivo não apenas garanta uma energização isenta de falhas, mas também gerencie o sequenciamento da alimentação entre duas trilhas. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Há também muitos projetos que têm várias trilhas e necessidades mais complexas de sequenciamento. Nessas situações, o Sequenciador e Supervisor Multicanal de Fontes de Alimentação LTC2928 oferece uma solução (Figura 8).

Figura 8: O sequenciador de energia LTC2928 gerencia o sequenciamento da energização e desligamento entre quatro trilhas independentes, e permite o controle de parâmetros importantes pelo usuário. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Este sequenciador da fonte de alimentação em cascata de quatro canais e supervisor de alta precisão permite que os projetistas configurem limites, ordem e temporização do sequenciamento de gerenciamento de energia, usando apenas alguns componentes externos. Ele garante que as trilhas de alimentação sejam habilitadas na ordem desejada. Além do sequenciamento da energização, ele pode gerenciar o sequenciamento complementar do desligamento que, muitas vezes, é igualmente crítico.

As saídas em sequência são usadas para controlar os pinos de habilitação de energia ou portas de passagem de canal N. Outras funções de supervisão incluem monitoramento e relatórios de subtensão e sobretensão, bem como geração de reset do microprocessador. O tipo e a fonte das falhas são relatados para diagnóstico. Os controles individuais de canal estão disponíveis para exercer as saídas de habilitação e funções de supervisão de forma independente. Para sistemas com mais de quatro trilhas, vários LTC2928s podem ser facilmente conectados para sequenciar uma quantidade ilimitada de fontes de alimentação.

Conclusão

As falhas estão presentes em todas as aplicações, mas não têm representado um problema significativo para aplicações de tensão mais alta que dominaram até recentemente. Agora, as tensões da fonte de alimentação estão ficando mais baixas, tornando o sistema menos confiável devido a falhas de 0,9 V.

Como mostrado, os projetistas podem melhorar a confiabilidade utilizando novos CIs de supervisão que oferecem uma operação isenta de falhas para fornecer o mais alto grau de proteção do sistema para aplicações de baixa potência/baixa tensão.

Leitura recomendada

1. Produtos da Analog Devices/Maxim Integrated, Design Solution 7550, "Sua aplicação está protegida de falhas?" (em inglês)