Comprender y aplicar los circuitos integrados de supervisión para evitar los dolores de cabeza por los fallos de alimentación de baja tensión

Los ingenieros experimentados saben que uno de los momentos más arriesgados para un sistema es cuando se aplica la energía. Dependiendo de las constantes de tiempo y de la suavidad y rapidez con la que el carril de alimentación llegue a su valor nominal, los diferentes circuitos integrados y las partes del sistema pueden arrancar, bloquearse o iniciarse en un modo incorrecto cuando intentan trabajar entre sí. Además, el rendimiento de los circuitos integrados en relación con la temporización y el giro durante el encendido puede depender de la temperatura, los condensadores asociados, la tensión mecánica, el envejecimiento y otros factores.

El problema potencial se agrava a medida que los rieles de tensión de funcionamiento caen a valores bajos de un solo dígito, lo que reduce la cantidad de "holgura" o margen de maniobra para funcionar con el valor nominal del riel. Todos estos factores pueden conducir a un rendimiento de arranque inconsistente y a frustrantes sesiones de depuración.

Por estas razones, los proveedores de circuitos integrados analógicos han ideado circuitos integrados especializados que ofrecen funciones de gestión de supervisión que eliminan la incertidumbre y la inconsistencia del encendido. Este artículo definirá y caracterizará el problema del glitch, y luego mostrará cómo se puede evitar mediante la adición de algunos pequeños CI especializados de Analog Devices.

¿Qué es un fallo?

Al igual que ocurre con muchos términos de ingeniería, como "buffer" o "programable", la palabra "glitch" tiene distintos significados según el contexto. Un fallo puede ser:

• Un pico inducido por el ruido en una señal o línea eléctrica
• Una caída repentina y breve en un carril de alimentación debido a un transitorio de carga
• Un periodo de microsegundos en el que los MOSFET superiores e inferiores de un puente se encienden por error de forma simultánea, como resultado de los diferentes tiempos de encendido/apagado de sus controladores de puerta (un suceso muy malo)
• Una señal momentánea indeterminada y una condición de carrera debido a las tolerancias de tiempo y las diferencias entre los componentes

Este artículo examina el fallo que puede producirse durante el periodo de "encendido" cuando se conecta la alimentación y los circuitos integrados pasan a su estado normal de funcionamiento, especialmente en los sistemas de baja tensión. Estos fallos de encendido son especialmente frustrantes porque pueden causar problemas intermitentes y difíciles de depurar que no tienen una correlación o consistencia aparente. Como las condiciones que inducen los fallos suelen estar "en el límite", su aparición puede variar con la temperatura, la tolerancia de los raíles de alimentación (aunque estén dentro de las especificaciones), las variaciones de los componentes individuales en un lote del mismo dispositivo y otros factores difíciles de determinar.

¿Qué es este fallo y cuál es su origen? Considere un sistema con un microcontrolador y un CI de reinicio de supervisión/protección asociado. La función de este último circuito integrado es sencilla y concreta: mantener un funcionamiento fiable del sistema durante el encendido, el apagado y las caídas de tensión (Figura 1).

Figura 1: La comprensión de una fuente de fallo comienza con un vistazo a una disposición simple y típica de un microcontrolador y su CI de reinicio de supervisión/protección asociado, ambos alimentados por una batería y su regulador. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En una aplicación típica alimentada por batería, el convertidor CC-CC genera la vía de alimentación a partir de una pequeña batería de bajo voltaje. El circuito integrado de supervisión se añade generalmente entre el convertidor CC-CC y el microcontrolador para controlar la tensión de alimentación y activar o desactivar el microcontrolador.

El circuito integrado de supervisión garantiza un funcionamiento fiable mediante el control preciso de la alimentación del sistema y la activación o desactivación de la entrada de habilitación del microcontrolador. La activación y desactivación del microcontrolador se gestiona a través del pin de salida de reset del CI supervisor. Este pin es típicamente un drenaje abierto que está conectado a una resistencia de pull-up de 10 kilohm (kΩ). El circuito integrado de supervisión supervisa la tensión de alimentación y afirma un reinicio cuando la tensión de entrada cae por debajo del umbral de reinicio.

Después de que el voltaje monitoreado se eleva por encima del voltaje de umbral a su valor nominal, la salida de restablecimiento permanece afirmada durante un período de tiempo de espera de restablecimiento y luego se desactiva. Esto permite que el microcontrolador de destino salga del estado de reinicio y comience a funcionar.

Pero, ¿qué ocurre con la línea de reset antes de que el CI supervisor se encienda y la ponga a nivel bajo? La respuesta se encuentra observando detenidamente una secuencia típica de encendido (Figura 2). Cuando la vía de alimentación V_CC comienza a encenderse, tanto el microcontrolador como el CI de supervisión están apagados. Como consecuencia, la línea de reset está flotando y la resistencia pullup de 10 kΩ hace que su tensión siga a V_CC.

Figura 2: En una secuencia típica de encendido, la línea de reinicio es flotante, por lo que su tensión sigue el aumento de la vía de alimentación V_CC. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Este aumento de tensión puede ser de entre 0.5 y 0.9 voltios, lo que puede provocar la inestabilidad del sistema. Una vez que el CI de supervisión se enciende, la línea de reset se tira hacia abajo para evitar que el microcontrolador se encienda inadvertidamente. Este fallo es común a todas las generaciones anteriores de CI de supervisión.

Los sistemas de baja tensión magnifican el problema

Este escenario de fallos se convierte en una gran preocupación con la tendencia a los dispositivos de bajo consumo que funcionan a voltajes cada vez más bajos. Considere sistemas con tres niveles lógicos de 3,3 voltios, 2,5 voltios y 1,8 voltios (Figura 3). Para el sistema de 3,3 voltios, el umbral de baja tensión de salida (Vol) y el umbral de baja tensión de entrada (Vil) están entre 0,4 voltios y 0,8 voltios. Si se produce un fallo a 0,9 voltios, podría provocar la inestabilidad del procesador al apagarlo y encenderlo.

Figura 3: Los niveles lógicos se han reducido de 3,3 voltios a 1,8 voltios, y también los umbrales de tensión asociados. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La situación para un sistema nominal de 1,8 voltios es más sensible. Ahora, Vol y Vil son mucho más bajos, 0,45 voltios y 0,63 voltios. Un fallo de 0,9 voltios en este sistema representa un porcentaje mayor, lo que le confiere un mayor potencial de error.

¿Cómo se desarrolla esta situación con el fallo que afecta al funcionamiento del sistema? Considere una tensión de alimentación V_DD que se eleva lentamente hasta 0,9 voltios y "permanece" allí durante un corto período de tiempo (Figura 4). Aunque este voltaje no es suficiente para encender el IC de supervisión, el microcontrolador podría estar habilitado y funcionando en un estado inestable. Como el valor de 0,9 voltios está en un estado indeterminado, el fallo puede ser interpretado por la entrada RESET del microcontrolador como un 1 o un 0 lógico, lo que lo habilitaría o deshabilitaría erráticamente.

Figura 4: A medida que la tensión de alimentación V_DD sube hasta 0,9 voltios y se mantiene ahí, el microcontrolador puede encenderse y apagarse de forma errática. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Esto hace que el microcontrolador ejecute instrucciones parciales o escrituras incompletas en la memoria, como dos ejemplos de lo que podría ocurrir, causando probablemente un mal funcionamiento del sistema y un posible comportamiento catastrófico del mismo.

Resolver el problema de los fallos

Para superar este problema no es necesario volver a los raíles de tensión más altos, ni exigir complicadas arquitecturas a nivel de sistema para eliminar su aparición o minimizar su impacto. En su lugar, se requiere una nueva generación de circuitos integrados de supervisión que reconozcan los aspectos únicos del problema y eviten la formación de fallos, independientemente del nivel de tensión durante el encendido o las condiciones de desconexión.

Para conseguir este resultado se necesita un circuito y un CI propios, como el MAX16162, un supervisor de nanoalimentación con encendido sin fallos. Con este minúsculo CI -disponible en encapsulado WLP de cuatro pines y SOT23 de cuatro pines- la salida de reset se mantiene baja siempre que V_DD sea inferior a la tensión umbral, lo que evita un fallo de tensión en la línea de reset. Una vez alcanzado el umbral de tensión y completado el periodo de retardo, la salida de reset se desactiva y habilita el microcontrolador (Figura 5).

Figura 5: El MAX16162 mantiene la salida de reset baja siempre que V_DD es menor que el voltaje de umbral, lo que evita un fallo de voltaje en la línea de reset. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

A diferencia de los circuitos integrados de supervisión convencionales que no pueden controlar el estado de la salida de restablecimiento cuando V_CC es muy baja, la salida de restablecimiento del MAX16162 está garantizada para permanecer afirmada hasta después de que se alcance un nivel válido de V_CC.

El MAX16161 es un hermano cercano del MAX16162 con especificaciones casi idénticas, pero con una diferencia funcional y una redefinición de la asignación de pines (Figura 6). Dispone de una entrada de reinicio manual (MR) que afirma un reinicio cuando recibe una señal de entrada apropiada, que puede ser activa-baja o activa-alta, dependiendo de la opción seleccionada. Por el contrario, el MAX16162 no tiene entrada MR, sino que tiene pines V_CC y V_IN separados, lo que permite tensiones de umbral tan bajas como 0,6 voltios.

Figura 6: El MAX16161 y el MAX16162 son similares pero con una pequeña diferencia funcional y de pines: el MAX16161 tiene una entrada MR que afirma un reset cuando recibe una señal de entrada apropiada, mientras que el MAX16162 tiene pines V_CC y V_IN separados. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Secuenciador frente a supervisor

Otro par de términos que tienen cierto solapamiento y ambigüedad son supervisor y secuenciador. Un supervisor supervisa una única tensión de alimentación y activa/libera el reinicio en circunstancias definidas. En cambio, un secuenciador coordina los reinicios relativos y las afirmaciones de "power OK" entre dos o más carriles.

Los MAX16161 y MAX16162 pueden utilizarse como simples secuenciadores de alimentación (Figura 7). Después de que la tensión de salida del primer regulador sea válida, el MAX16161/MAX16162 inserta un retardo y genera la señal de habilitación para el segundo regulador después del período de tiempo de espera de reinicio. Debido a que el MAX16161/MAX16162 nunca de-afirma el reinicio hasta que el voltaje de suministro es correcto, el suministro controlado nunca se habilita incorrectamente.

Figura 7: Un circuito que utiliza el MAX16161 puede configurarse para que el dispositivo no sólo garantice un encendido sin fallos, sino que también gestione la secuencia de carriles de alimentación entre dos carriles. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

También hay muchos diseños que tienen varios carriles y necesidades de secuenciación más complejas. En estas situaciones, el secuenciador y supervisor de fuentes de alimentación multicanal LTC2928 de Analog Devices ofrece una solución (Figura 8).

Figura 8: El secuenciador de alimentación del LTC2928 gestiona la secuencia de encendido y apagado entre cuatro carriles independientes y permite al usuario controlar los parámetros clave. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Este secuenciador de fuentes de alimentación de cuatro canales en cascada y supervisor de alta precisión permite a los diseñadores configurar los umbrales de secuenciación de la gestión de la energía, el orden y la temporización utilizando sólo unos pocos componentes externos. Garantiza que los carriles de alimentación se habiliten en el orden deseado. Además de la secuenciación de encendido, puede gestionar la secuenciación de apagado, complementaria y a menudo igualmente crítica.

Las salidas de secuencia se utilizan para controlar los pines de habilitación de la alimentación o las puertas de paso de canal N. Las funciones adicionales de supervisión incluyen el control y la notificación de subtensión y sobretensión, así como la generación de restablecimiento del microprocesador. El tipo y el origen de los fallos se comunican para su diagnóstico. Los controles individuales de los canales están disponibles para ejercer las salidas de habilitación y las funciones de supervisión de forma independiente. Para sistemas con más de cuatro carriles, se pueden conectar fácilmente varios LTC2928 para secuenciar un número ilimitado de fuentes de alimentación.

Conclusión:

Los glitches están presentes en todas las aplicaciones, pero no han supuesto un problema importante para las aplicaciones de alta tensión, que eran las que predominaban hasta hace poco. Ahora, los voltajes de las fuentes de alimentación son cada vez más bajos, lo que hace que el encendido del sistema sea menos fiable debido a los fallos de 0,9 voltios.

Como se ha demostrado, los diseñadores pueden mejorar la fiabilidad utilizando los nuevos circuitos integrados de supervisión que ofrecen un funcionamiento sin fallos para proporcionar el mayor grado de protección del sistema para aplicaciones de baja potencia/bajo voltaje.

Lectura recomendada

1. Analog Devices/Maxim Integrated Products, Solución de diseño 7550, "¿Está su aplicación protegida contra los fallos?"