Comprendre et appliquer les circuits intégrés de supervision pour éviter les problèmes de perturbations transitoires au démarrage basse tension

Les ingénieurs expérimentés savent que l'un des moments les plus critiques pour un système est sa mise sous tension. En fonction des constantes de temps et de la fluidité et de la rapidité avec lesquelles le rail d'alimentation atteint sa valeur nominale, les différents circuits intégrés et composants du système peuvent démarrer, se bloquer ou démarrer dans un mode incorrect lorsqu'ils tentent de fonctionner ensemble. De plus, les performances de temporisation et de balayage des circuits intégrés à la mise sous tension peuvent dépendre de la température, des condensateurs associés, des contraintes mécaniques, du vieillissement et d'autres facteurs.

Le problème potentiel est aggravé lorsque les rails de tension de fonctionnement chutent à de faibles valeurs à un chiffre, réduisant la marge de manœuvre pour un fonctionnement à la valeur nominale du rail. Tous ces facteurs peuvent entraîner des performances de démarrage irrégulières et des sessions de débogage frustrantes.

Pour ces raisons, les fournisseurs de circuits intégrés analogiques ont conçu des circuits intégrés spécialisés offrant des fonctions de supervision qui éliminent les incertitudes et les incohérences de mise sous tension. Cet article définit et caractérise le problème de perturbations transitoires, puis montre comment l'éviter en ajoutant quelques petits circuits intégrés spécialisés d'Analog Devices.

Qu'est-ce qu'une perturbation transitoire ?

Comme de nombreux termes techniques tels que « tampon » ou « programmable », le terme « perturbation transitoire » peut avoir plusieurs sens selon le contexte. Une perturbation transitoire peut être :

• Une pointe induite par le bruit sur une ligne d'alimentation ou de signaux
• Une chute soudaine et brève dans un rail d'alimentation en raison d'un transitoire de charge
• Une période d'une microseconde pendant laquelle les MOSFET supérieurs et inférieurs d'un pont sont activés simultanément par inadvertance, en raison des différents temps d'activation/de désactivation de leurs circuits d'attaque de grille (événement critique)
• Un signal indéterminé momentané et une situation de concurrence dus à des tolérances de temps et à des différences entre les composants

Cet article traite des perturbations transitoires pouvant se produire pendant la phase de mise sous tension, lorsque l'alimentation est activée et que les circuits intégrés passent en mode de fonctionnement normal, en particulier dans les systèmes basse tension. Ces perturbations transitoires à la mise sous tension sont particulièrement frustrantes car elles peuvent causer des problèmes intermittents, difficiles à corriger, sans corrélation ni cohérence apparentes. Comme les conditions induisant les perturbations transitoires sont souvent « à la limite », leur apparition peut varier en fonction de la température, de la tolérance du rail d'alimentation (tout en restant dans les limites des spécifications), des variations des composants individuels dans un lot du même dispositif, et d'autres facteurs difficiles à déterminer.

Qu'est-ce que cette perturbation transitoire, et quelle est sa source ? Considérons un système avec un microcontrôleur et un circuit intégré de réinitialisation de supervision/protection associé. Le rôle de ce dernier circuit intégré est simple et ciblé : maintenir un fonctionnement fiable du système pendant les événements de mise sous tension, de mise hors tension et de baisse de tension (Figure 1).

Figure 1 : La compréhension d'une source de perturbations transitoires commence par l'examen d'une configuration typique simple d'un microcontrôleur et de son circuit intégré de réinitialisation de supervision/protection associé, tous les deux alimentés par une batterie et son régulateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans une application alimentée par batterie typique, le convertisseur CC/CC génère le rail d'alimentation à partir d'une petite batterie basse tension. Le circuit intégré de supervision est généralement ajouté entre le convertisseur CC/CC et le microcontrôleur pour surveiller la tension d'alimentation et activer ou désactiver le microcontrôleur.

Le circuit intégré de supervision garantit un fonctionnement fiable via une surveillance précise de l'alimentation du système, et via l'assertion/la déassertion de l'entrée d'activation du microcontrôleur. L'activation et la désactivation du microcontrôleur sont gérées par la broche de sortie de réinitialisation du circuit intégré de supervision. Cette broche est généralement un drain ouvert connecté à une résistance d'excursion haute de 10 kilohms (kΩ). Le circuit intégré de supervision surveille la tension d'alimentation et déclenche une réinitialisation lorsque la tension d'entrée tombe en dessous du seuil de réinitialisation.

Une fois que la tension surveillée a dépassé la tension de seuil et atteint sa valeur nominale, la sortie de réinitialisation reste activée pendant une période de temporisation de réinitialisation, puis est désactivée. Cela permet au microcontrôleur cible de sortir de l'état de réinitialisation et de commencer à fonctionner.

Mais que se passe-t-il avec la ligne de réinitialisation avant que le circuit intégré de supervision s'active et l'entraîne à l'état bas ? La réponse est trouvée en examinant de près une séquence de mise sous tension typique (Figure 2). Lorsque le rail d'alimentation V_CC commence à être alimenté, le microcontrôleur et le circuit intégré de supervision sont désactivés. En conséquence, la ligne de réinitialisation est flottante et la résistance d'excursion haute de 10 kΩ fait que sa tension suit V_CC.

Figure 2 : Dans une séquence typique de mise sous tension, la ligne de réinitialisation est flottante, de sorte que sa tension suit l'augmentation du rail d'alimentation V_CC. (Source de l'image : Analog Devices)

Cette augmentation de tension peut être comprise entre 0,5 volt (V) et 0,9 V, ce qui peut provoquer une instabilité du système. Dès que le circuit intégré de supervision s'active, la ligne de réinitialisation passe à l'état bas pour empêcher le microcontrôleur de s'activer par inadvertance. Cette perturbation transitoire est commune à toutes les générations précédentes de circuits intégrés de supervision.

Les systèmes basse tension amplifient le problème

Ce scénario de perturbations transitoires devient un problème majeur avec la tendance en matière de dispositifs basse consommation fonctionnant à des tensions de plus en plus basses. Considérons des systèmes avec trois niveaux logiques de 3,3 V, 2,5 V et 1,8 V (Figure 3). Pour le système 3,3 V, le seuil de basse tension de sortie (Vol) et le seuil de basse tension d'entrée (Vil) sont compris entre 0,4 V et 0,8 V. Si une perturbation transitoire se produit à 0,9 V, elle pourrait rendre le processeur instable en l'éteignant et en le rallumant.

Figure 3 : Les niveaux logiques sont passés de 3,3 V à 1,8 V, tout comme les seuils de tension associés. (Source de l'image : Analog Devices)

La situation pour un système nominal de 1,8 V est plus délicate. Les seuils Vol et Vil sont beaucoup plus bas, à 0,45 V et 0,63 V. Une perturbation transitoire de 0,9 V dans ce système représente un pourcentage plus important, ce qui lui confère un potentiel d'erreur plus élevé.

Quel est l'impact des perturbations transitoires sur le fonctionnement du système ? Prenons l'exemple d'une tension d'alimentation V_DD qui monte lentement jusqu'à 0,9 V et reste à cette valeur pendant une courte période (Figure 4). Bien que cette tension ne soit pas suffisante pour activer le circuit intégré de supervision, le microcontrôleur peut toujours être activé et fonctionner dans un état instable. Comme la valeur de 0,9 V est dans un état indéterminé, la perturbation transitoire peut être interprétée par l'entrée RESET du microcontrôleur comme un 1 ou un 0 logique, entraînant une activation ou une désactivation irrégulière.

Figure 4 : Comme la tension d'alimentation V_DD monte jusqu'à 0,9 V et se maintient à cette valeur, le microcontrôleur peut être activé et désactivé de manière irrégulière. (Source de l'image : Analog Devices)

Le microcontrôleur exécute alors des instructions partielles ou des écritures incomplètes dans la mémoire, pour ne citer que deux exemples de ce qui peut se produire, ce qui peut entraîner un dysfonctionnement du système et un éventuel comportement catastrophique du système.

Résoudre le problème de perturbations transitoires

Il n'est pas nécessaire de revenir à des rails à plus haute tension ni d'exiger des architectures niveau système compliquées pour éliminer l'apparition de ce problème ou minimiser son impact. Au lieu de cela, il faut une nouvelle génération de circuits intégrés de supervision qui reconnaissent les aspects uniques du problème et empêchent la formation de perturbations transitoires, quel que soit le niveau de tension pendant les conditions de mise sous tension ou de baisse de tension.

Pour atteindre ce résultat, il faut un circuit propriétaire et un circuit intégré tel que le MAX16162, un superviseur d'alimentation nanopuissance avec une mise sous tension sans perturbations transitoires. Grâce à ce circuit intégré miniature — disponible en boîtier WLP à quatre bosses et en boîtier SOT23 à quatre broches — la sortie de réinitialisation est maintenue à l'état bas lorsque la tension V_DD est inférieure à la tension de seuil, évitant une perturbation transitoire de tension sur la ligne de réinitialisation. Une fois que le seuil de tension est atteint et que la période de délai est terminée, la sortie de réinitialisation se désactive et active le microcontrôleur (Figure 5).

Figure 5 : Le MAX16162 maintient la sortie de réinitialisation à l'état bas lorsque la tension V_DD est inférieure à la tension de seuil, empêchant ainsi une perturbation transitoire de tension sur la ligne de réinitialisation. (Source de l'image : Analog Devices)

Contrairement aux circuits intégrés de supervision conventionnels qui sont incapables de contrôler l'état de la sortie de réinitialisation lorsque la tension V_CC est très basse, la sortie de réinitialisation du MAX16162 est garantie de rester activée jusqu'à ce qu'un niveau V_CC valide soit atteint.

Le MAX16161 est très similaire au MAX16162 avec des spécifications presque identiques, mais avec une différence fonctionnelle et une redéfinition de l'affectation des broches (Figure 6). Il présente une entrée de réinitialisation manuelle (MR) qui déclenche une réinitialisation à la réception d'un signal d'entrée approprié, qui peut être soit actif-bas, soit actif-haut, selon l'option choisie. En revanche, le MAX16162 n'a pas d'entrée MR mais dispose de broches V_CC et V_IN séparées, permettant des tensions de seuil de seulement 0,6 V.

Figure 6 : Les dispositifs MAX16161 et MAX16162 sont similaires mais avec une petite différence en termes de fonctionnalité et de brochage : le MAX16161 a une entrée MR qui déclenche une réinitialisation à la réception d'un signal d'entrée approprié, tandis que le MAX16162 a des broches V_CC et V_IN séparées. (Source de l'image : Analog Devices)

Séquenceur contre superviseur

Le superviseur et le séquenceur sont deux autres termes pouvant être sources de confusion et d'ambiguïté. Un superviseur surveille une seule tension d'alimentation et déclenche/arrête la réinitialisation dans des circonstances définies. En revanche, un séquenceur coordonne les réinitialisations relatives et les assertions « Power OK » entre deux ou plusieurs rails.

Les dispositifs MAX16161 et MAX16162 peuvent être utilisés comme simples séquenceurs d'alimentation (Figure 7). Une fois la tension de sortie du premier régulateur devenue valide, les dispositifs MAX16161/MAX16162 insèrent un retard et génèrent le signal d'activation pour le deuxième régulateur après la période de temporisation de réinitialisation. Comme les dispositifs MAX16161/MAX16162 ne désactivent jamais la réinitialisation tant que la tension d'alimentation n'est pas correcte, l'alimentation contrôlée n'est jamais activée de manière incorrecte.

Figure 7 : Un circuit utilisant le MAX16161 peut être configuré de façon à ce que le dispositif garantisse non seulement une mise sous tension sans perturbations transitoires mais gère également le séquencement des rails d'alimentation entre deux rails. (Source de l'image : Analog Devices)

Il existe également de nombreuses conceptions qui présentent plusieurs rails et des besoins de séquencement plus complexes. Dans ces situations, le superviseur et séquenceur d'alimentation à plusieurs canaux LTC2928 d'Analog Devices offre une solution (Figure 8).

Figure 8 : Le séquenceur d'alimentation LTC2928 gère le séquencement de mise sous tension et de mise hors tension parmi quatre rails indépendants, et permet à l'utilisateur de contrôler les paramètres clés. (Source de l'image : Analog Devices)

Ce superviseur haute précision et séquenceur d'alimentation cascadable à quatre canaux permet aux concepteurs de configurer les seuils de séquencement de gestion de l'alimentation, l'ordre et la temporisation avec seulement quelques composants externes. Il garantit que les rails d'alimentation sont activés dans l'ordre souhaité. Outre le séquencement de la mise sous tension, il peut gérer le séquencement complémentaire et souvent tout aussi critique de la mise hors tension.

Les sorties de séquence sont utilisées pour contrôler les broches d'activation de l'alimentation ou les grilles à canal N. Les fonctions de supervision supplémentaires incluent la surveillance et le signalement des sous-tensions et des surtensions, ainsi que la génération de réinitialisation de microprocesseur. Le type et la source des problèmes sont signalés pour le diagnostic. Les sorties d'activation et les fonctions de surveillance peuvent être commandées de manière indépendante par des canaux individuels. Pour les systèmes comportant plus de quatre rails, plusieurs LTC2928 peuvent être facilement connectés pour séquencer un nombre illimité d'alimentations.

Conclusion

Les perturbations transitoires sont présentes dans toutes les applications, mais dans les applications haute tension qui étaient prédominantes jusqu'à récemment, elles ne posaient pas de problème majeur. Aujourd'hui, les tensions d'alimentation sont de plus en plus basses, et les perturbations transitoires de 0,9 V ont un impact sur la fiabilité de mise sous tension des systèmes.

Comme illustré, les concepteurs peuvent améliorer la fiabilité en utilisant des circuits intégrés de supervision plus récents qui offrent un fonctionnement sans perturbations transitoires afin de fournir le meilleur niveau de protection système pour les applications basse consommation/basse tension.

Lecture recommandée

1. Analog Devices/Maxim Integrated Products, Design Solution 7550, "Is Your Application Protected from Glitches?"