Controladores CompactPCI Hot Swap con precarga de bus, interceptación en el chip de la señal de reinicio PCI y mucho más

Introducción

Cuando una placa de circuito se inserta en una placa base "caliente" (con alimentación), sus condensadores de derivación de alimentación pueden extraer grandes corrientes del bus de alimentación de la placa base mientras se cargan. Estas corrientes pueden provocar fallos en la tensión de alimentación de la placa base, reiniciando otras placas del sistema, e incluso pueden dañar los conectores de los bordes. El LTC1644 y el LTC1646 se intercambian en caliente los controladores limitan de forma segura estas corrientes de carga durante la inserción de la placa en una placa base caliente. También ofrecen varias funciones específicamente adaptadas a CompactPCI (CPCI) de las aplicaciones de intercambio en caliente:

  • Salida de precarga para polarizar los pines de los conectores de E/S durante la inserción y extracción de la placa para minimizar los fallos del bus
  • Interceptación en el chip de la señal de reinicio global PCI
  • Disyuntores de doble nivel para las alimentaciones de 5V y 3,3V con tiempos de respuesta lentos y rápidos para condiciones de sobrecorriente y cortocircuito, respectivamente
  • La capacidad de encender todas las fuentes en una amplia gama de cargas capacitivas utilizando el límite de corriente de retroceso sin causar fallos de sobrecorriente espurios

El LTC1644 ofrece una solución de intercambio en caliente para aplicaciones CPCI que requieren los cuatro carriles disponibles en un conector CPCI: 5V, 3,3V, 12V y -12V. El LTC1646 está pensado para su uso en aplicaciones CPCI en las que sólo se utilizan los carriles de 5V y 3,3V. El LTC1644 está disponible en un encapsulado SSOP de 20 patillas, mientras que el LTC1646 está disponible en un encapsulado SSOP de 16 patillas que ahorra espacio.

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Aplicaciones típicas de intercambio en caliente de CPCI

Las figuras 1 y 2 muestran el LTC1644 y el LTC1646, respectivamente, en aplicaciones típicas de intercambio en caliente CPCI. En ambas aplicaciones, los transistores Q1 y Q2 limitan las corrientes de alimentación de 3,3 V y 5 V cuando se inserta una placa en una placa base caliente. Las corrientes que pasan por Q1 y Q2 se detectan a través de las resistencias R1 y R2. Las resistencias R3 y R4 evitan las oscilaciones de alta frecuencia en Q1 y Q2. Al aumentar las puertas de Q1 y Q2 a un ritmo controlado, la corriente transitoria de sobretensión (I = C - dv/dt) extraída de la alimentación principal de la placa base se limita a un valor seguro cuando se inserta la placa. Además, el LTC1644 contiene transistores de paso internos para las alimentaciones de 12V y -12V que tienen límites de corriente fijos. Una función de límite de retroceso de corriente también protege todas las fuentes. Si una tensión de salida se pone en cortocircuito a tierra, el límite de corriente desciende para mantener la disipación de energía y los fallos de alimentación al mínimo.

Figura 1. Aplicación típica del LTC1644.

Figura 2. Aplicación típica del LTC1646.

El transistor Q3 y sus componentes asociados forman el circuito de precarga en ambas aplicaciones. La tensión en la patilla DRIVE varía para mantener constante 1V en la patilla PRECHARGE. La resistencia R10 predispone la línea de E/S del ejemplo a 1V durante la inserción y extracción en caliente, minimizando así los fallos en la línea de E/S de la placa base cuando el pin del conector hace/rompe su conexión.

El LTC1644 y el LTC1646 están diseñados para ser totalmente compatibles con el entorno de señalización CPCI backplane-to-daughtercard. La señal BD_SEL# está conectada al EN mientras la señal HEALTHY# está conectada al PWRGD pin. En caso de que alguna de las tensiones de salida caiga por debajo de sus umbrales de potencia, el PWRGD se tira hacia arriba a V(I/O)provocando que la señal HEALTHY# se desactive. La señal global PCI_RST# se combina en el chip con la señal HEALTHY# para generar la señal LOCAL_PCI_RST# en el RESETOUT pin. La señal LOCAL_PCI_RST# se pone baja siempre que la señal HEALTHY# esté alta; también puede ponerse baja cuando la señal de entrada PCI_RST# esté baja.

Cuando se inserta una placa en un conector CPCI, la V larga(I/O)los pines de 5V, 3V y GND hacen contacto primero y alimentan el V(I/O) las resistencias de pull-up, el circuito de precarga del bus dentro del LTC1644 y el LTC1646 y el chip puente PCI. Durante la siguiente etapa de inserción, los pines de 5V, 3,3V, 12V, -12V y E/S de longitud media hacen contacto. En la fase final de la inserción, la clavija BD_SEL# del conector corto hace contacto, tirando del EN a GND, y comienza la secuencia de encendido.

Secuencia de encendido

La temporización de un ciclo de encendido típico del LTC1644 se muestra en la Figura 3 (las formas de onda del LTC1646 son similares, excepto por la ausencia de las tensiones de entrada y salida de 12V y -12V). Las puertas de los FET (clavija GATE) son arrancadas por una fuente de corriente interna. Simultáneamente, el condensador conectado al pin TIMER también se carga mediante una fuente de corriente interna (5µA para el LTC1646, 20µA para el LTC1644). Se permite que cada fuente se encienda a la velocidad dv/dt = I/C1 (donde I es 20µA para el LTC1646 y 50µ para el LTC1644) o según lo determine el límite de corriente y la capacidad de carga, lo que sea más lento. Los fallos de límite de corriente se ignoran mientras la tensión de la patilla del TEMPORIZADOR está subiendo y es menor que la tensión umbral del temporizador. Una vez que todas las tensiones de alimentación de salida han cruzado sus umbrales de buen funcionamiento, la señal HEALTHY# se pone a nivel bajo y LOCAL_PCI_RST# puede seguir a PCI_RST#. El ciclo de alimentación se completa después de que la tensión del pin TIMER supere la tensión umbral del temporizador (1,2V para el LTC1646, V12VIN - 1V para el LTC1644).

Figura 3: Secuencia típica de encendido.

Secuencia de apagado

Cuando el EN se pone en alto, se inicia una secuencia de apagado (ver Figura 4). Los interruptores pull-down internos están conectados a cada uno de los pines de la tensión de alimentación de salida para descargar los condensadores de bypass a tierra. El pin TIMER se pone inmediatamente a nivel bajo y la tensión del pin GATE se descarga con una fuente de corriente de 200µA para evitar que las corrientes de carga de las fuentes de 3,3V y 5V se pongan a cero instantáneamente y provoquen fallos en las fuentes de alimentación. Cuando cualquiera de las tensiones de salida cae por debajo de su umbral de potencia, la señal HEALTHY# se pone en alto. El LTC1644 y el LTC1646 mantienen la tensión del pin PRECHARGE a 1V, independientemente del estado del EN tensión de la clavija.

Figura 4: Secuencia típica de apagado.

Temporizador

Durante una secuencia de encendido, se conecta una fuente de corriente (5µA para el LTC1646, 20µ para el LTC1644) a la patilla TIMER y se ignoran los fallos de límite de corriente hasta que la tensión en esta patilla supera la tensión umbral del temporizador (1,20V para el LTC1646 y 12VEN - 1V para el LTC1644). Esta característica permite que el chip alimente tarjetas CPCI con cargas capacitivas muy variables en los suministros. El periodo del temporizador debe ajustarse más largo que el tiempo máximo de encendido de la alimentación, pero lo suficientemente corto como para no superar la zona máxima de funcionamiento seguro de los transistores de paso en caso de cortocircuito. La tensión de la clavija TIMER se pone inmediatamente a nivel bajo cuando el EN la tensión de la clavija es alta.

Protección contra cortocircuitos

Durante un ciclo de encendido, el LTC1644 y el LTC1646 confían en el límite de corriente analógico para proteger las fuentes contra los fallos de cortocircuito. Para evitar una disipación de potencia excesiva en los transistores de paso y prevenir los picos de tensión en las alimentaciones durante las condiciones de cortocircuito, el límite de corriente en cada alimentación está diseñado para ser una función de la tensión de salida. A medida que la tensión de salida cae, el límite de corriente disminuye. A diferencia de la función tradicional de un disyuntor, en la que pueden fluir corrientes enormes antes de que el disyuntor se dispare, la función de repliegue de corriente garantiza que la corriente de alimentación se mantendrá a un nivel seguro y evitará los fallos de tensión al aplicar la energía en un cortocircuito.

Los controladores contemporáneos de intercambio en caliente también se basan en el límite de corriente analógico como medio de protección contra los fallos de cortocircuito una vez que la placa se ha alimentado. Además, estos controladores tienden a retrasar la apertura del disyuntor durante un periodo de tiempo para evitar que condiciones breves de sobrecorriente desencadenen un fallo. Aunque este enfoque garantiza que la corriente de alimentación no superará el límite de diseño, tiene un defecto inherente: el controlador de intercambio en caliente compromete deliberadamente el cumplimiento de la tensión de salida para regular la corriente de alimentación durante un fallo de sobrecorriente. Como resultado, el voltaje de salida puede caer fuera de la tolerancia causando una variedad de problemas potenciales en la placa CPCI, entre ellos la posibilidad de afirmar la señal LOCAL_PCI_RST#.

El LTC1644 y el LTC1646 ofrecen una solución sencilla a este problema. Tanto la alimentación de 5V como la de 3,3V utilizan disyuntores de doble nivel para proteger contra la sobrecorriente y los fallos de cortocircuito una vez completado el ciclo de encendido. Los fallos de sobrecorriente se definen aquí como la condición en la que la tensión a través de los terminales de una resistencia de detección externa supera los 50 mV pero es inferior a 150 mV. Un diferencial de tensión de la resistencia de detección superior a 150 mV se considera un fallo de cortocircuito. Durante un evento de sobrecorriente, se pone en marcha un temporizador interno, pero no se intenta limitar la corriente reduciendo la tensión de puerta de los FETs de paso externos de 3,3V y 5V. Si la condición de sobrecorriente se mantiene después de 20µs, el disyuntor se dispara, el pin GATE se baja a tierra y el chip se desconecta (Figura 5). Sin embargo, en caso de un fallo de cortocircuito, el disyuntor se dispara sin demora, lo que hace que la clavija GATE se lleve a tierra y el chip se desconecte (Figura 6). Alternar el voltaje del pin /ON bajo-alto-bajo hace que se inicie otro ciclo de alimentación y reinicia los interruptores.

Figura 5: Fallo de sobrecorriente en 5V.

Figura 6. Fallo de cortocircuito en 5V.

Salidas de alimentación y reinicio

Tanto el LTC1644 como el LTC1646 controlan el estado de las tensiones de salida mediante el pin /PWRGD. En las aplicaciones CPCI, la señal HEALTHY# de la placa base debe conectarse al PWRGD y la señal PCI_RST# de la placa base deben estar ligadas al RESETIN pin. Las señales HEALTHY# y PCI_RST# se combinan en el chip para dar lugar a la señal LOCAL_PCI_RST# (ver Tabla 1), que está disponible en el RESETOUT pin. En caso de que cualquiera de las tensiones de salida caiga por debajo de sus umbrales de potencia durante más de 20µs, la señal HEALTHY# se pone en alto y la señal LOCAL_PCI_RESET# se pone en bajo. La función de retardo evita que se produzca un reinicio del sistema como consecuencia de un breve fallo en la tensión de alimentación de salida.

Tabla 1. Tabla de verdad LOCAL_PCI_RST#
PCI_RST#SANIDAD#LOCAL_PCI_RST#
BajoBajoBajo
BajoAltaBajo
AltaBajoAlta
AltaAltaBajo

Precarga

Durante la inserción y extracción en caliente, las patillas del conector de E/S del bus rebotarán antes de que se establezca o se rompa una conexión sólida. La carga y descarga de estas capacitancias de los tres pines da lugar a fallos que pueden interferir potencialmente con las transacciones del bus que se producen mientras se inserta o se retira una tarjeta CPCI del sistema. Para minimizar estos fallos, estos pines de E/S del bus deben precargarse a 1V antes de que los pines del conector CPCI de longitud media hagan o rompan el contacto con el conector de la placa base. El LTC1644 y el LTC1646 ofrecen una solución al requisito de precarga para las aplicaciones CPCI. Ambas piezas proporcionan una clavija de PRECARGA y una clavija de CONDUCCIÓN que están destinadas a utilizarse con el circuito de aplicación de precarga, como se muestra en las figuras 1 y 2. El circuito de aplicación de la precarga es capaz de generar y absorber hasta 55mA de corriente y puede polarizar hasta 128 pines de conectores de E/S que funcionen desde V(I/O) tensiones tan altas como 5V, manteniendo 1V ±20% en la patilla PRECHARGE. La alimentación de este circuito debe derivarse del largo 5VEN o 3VEN para garantizar que la salida de precarga de 1V esté disponible para polarizar los pines del conector de longitud media durante la inserción y extracción de la placa CPCI.

Conclusión

El LTC1644 y el LTC1646 ofrecen soluciones completas para aplicaciones CPCI Hot Swap. Estos dispositivos incorporan varias características adaptadas a la CPCI, como la precarga del bus y la interceptación en el chip de la señal global PCI_RST#. Son capaces de alimentar placas CPCI con amplios rangos de capacidad de carga en límite de corriente de retroceso. Una vez completado el ciclo de encendido, los disyuntores de doble nivel para las alimentaciones de 5V y 3,3V ofrecen una limitación rápida y eficaz de la corriente en caso de cortocircuito sin comprometer el cumplimiento de la tensión de salida durante breves condiciones de sobrecorriente, ofreciendo así a los diseñadores de placas CPCI un nivel de protección contra cortocircuitos único en la familia Hot Swap de LTC.

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