El versátil controlador/secuenciador doble de intercambio en caliente permite la inserción en vivo de la placa base

Introducción

Cuando se inserta una placa de circuito impreso en una placa base alimentada, los condensadores de derivación de energía de la placa pueden extraer grandes corrientes transitorias del bus de alimentación de la placa base mientras se cargan. Estas corrientes transitorias pueden destruir los condensadores, los pines de los conectores y las trazas de la placa y pueden interrumpir la alimentación del sistema, haciendo que otras placas del sistema se reinicien. El nuevo controlador de intercambio en caliente LTC1645 de dos canales está diseñado para aumentar las tensiones de alimentación de una placa de circuito de forma controlada, evitando las sobretensiones del sistema y los daños en la placa.

Los dos canales del LTC1645 pueden configurarse para que suban y bajen por separado, o pueden programarse para que suban y bajen simultáneamente, siguiendo así la potencia de ambas salidas. Mediante el uso de transistores de paso de canal N externos, las tensiones de alimentación se pueden regular a una velocidad programable. Dos controladores de conmutación de lado alto controlan las puertas de los transistores de efecto de campo de canal N externos para tensiones de alimentación que van de 1,2 V a 12 V. Los disyuntores electrónicos programables protegen contra los cortocircuitos en cualquiera de las salidas. El LTC1645 está disponible en paquetes SO de 14 y 8 pines. La versión de 14 patillas proporciona además una señal de reinicio del sistema y un segundo comparador de «espera» para indicar cuándo las tensiones de alimentación de la placa caen por debajo de los niveles programables por el usuario. También tiene una señal de fallo para indicar una condición de sobrecorriente y una clavija de retardo para crear un retraso antes de aumentar las tensiones de alimentación y desactivar la señal de reinicio del sistema.

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Aplicación típica de intercambio en caliente

La figura 1 muestra una aplicación típica de intercambio en caliente con el LTC1645. Q1 y Q2 controlan las fuentes de alimentación de la placa, RSENSE1 y RSENSE2 proporcionan la detección de fallos de corriente y R1 y R2 evitan las oscilaciones de alta frecuencia. Al conducir las puertas de los transistores de paso hacia arriba y hacia abajo a un ritmo controlado, la corriente de sobretensión transitoria (I = C – dv/dt) extraída de la alimentación principal de la placa base se limita a un valor seguro cuando la placa se conecta.

Figura 1. Aplicación típica del LTC1645.

La temporización de la placa se muestra en la Figura 2. Cuando se aplica la energía al chip por primera vez, las puertas FET (pines GATE1 y GATE2) se ponen a nivel bajo. Una vez que la clavija ON sube al punto de tiempo 1, el LTC1645 debe realizar un ciclo de retardo antes de que las tensiones de la clavija GATE puedan subir. Esto permite que las clavijas del conector terminen de rebotar y hagan una conexión sólida. CTEMPORIZADOR carga a 1,23V con una fuente de corriente de 2µA, haciendo que el ciclo de tiempo de retardo sea igual a t = (1,23V – CTEMPORIZADOR)/2µA. En este ejemplo, la pinza de subtensión descarga la clavija TIMER e impide que ambos canales se enciendan cuando VCC1 < 2,23V o VCC2 < 1,12V (punto de tiempo 2). En el punto de tiempo 4, el ciclo de retardo se ha completado y los pines GATE son arrastrados hacia arriba por una fuente de corriente interna de 10mA; la tensión en GATE1 empieza a subir con una pendiente de 10µA/C1 y la tensión en GATE2 empieza a subir con una pendiente de 10µA/C2. Las tensiones de alimentación siguen sus respectivas tensiones de puerta menos la tensión de umbral del FET externo; el tiempo de rampa para cada alimentación es (VDCn – Cn)/10mA.

Figura 2: Momento típico de la inserción y del interruptor electrónico.

Monitor y comparador de tensión de repuesto

La versión de 14 pines del LTC1645 ofrece dos comparadores de precisión para controlar los niveles de tensión de entrada o de salida. Ambos comparadores tienen una referencia de 1,238 V como entrada negativa y tienen salidas de drenaje abierto que requieren un pull-up externo para generar un nivel lógico alto. El comparador de espera controla el COMP+ y libera COMPOUT inmediatamente en cuanto COMP+ es superior a 1,238 V. El comparador FB libera RESET un ciclo de temporización después de que la patilla FB suba por encima de 1,238 V (Figura 2, puntos de tiempo 5 y 6) e incluye un filtro de fallos para evitar que el sistema se reinicie durante transitorios negativos cortos en la patilla FB. El tiempo de filtrado es de 20µs para transitorios grandes (por encima de 150mV) y de hasta 100µs para transitorios más pequeños de 10µA.

En la Figura 1, el pin COMPOUT se ha unido al pin FB para que RESET no se disparará mientras ambas alimentaciones de salida permanezcan por encima de sus tensiones programables durante un ciclo de retardo.

Disyuntor electrónico

El LTC1645 tiene una función de disyuntor electrónico que protege contra los cortocircuitos o la corriente de salida excesiva. La corriente de carga de cada alimentación se controla mediante una resistencia de detección entre la entrada de la alimentación y el pin de detección del chip. El disyuntor se dispara cuando la tensión a través de la resistencia de detección supera los 50mV durante más de 1,5µs. Cuando el disyuntor de cualquiera de los canales se dispara, los dos pines GATE se llevan inmediatamente a tierra y los FETs externos se desactivan rápidamente (Figura 2, punto temporal 7). Cuando la clavija ON se desactiva y se activa (punto de tiempo 8), el disyuntor se reinicia y comienza otro ciclo de tiempo. Si no se necesita la función de disyuntor, pon en cortocircuito los pines SENSE con su VDC alfileres.

La clavija ON

La clavija ON tiene varios umbrales para controlar la subida y bajada de la puertan pines. La figura 3 es un diagrama de bloques que muestra el funcionamiento del pin ON. Si la tensión del pin ON es inferior a 0,4V, GATE1 y GATE2 se conectan inmediatamente a tierra. Cuando la tensión está entre 0,4V y 0,8V, GATE1 y GATE2 son arrastrados cada uno a tierra con una corriente de 40µA. Entre 0,8V y 2V, el pull-up de 10µA de GATE1 se activa después de un ciclo de sincronización, pero GATE2 sigue tirando a tierra con una corriente de 40µA. Cuando la tensión supera los 2V, los pull-ups de 10µA de GATE1 y GATE2 se activan un ciclo de temporización después de que la tensión supere los 0,8V.

Figura 3: Operación en el husillo.

Seguimiento y secuenciación de la fuente de alimentación

Algunas aplicaciones requieren que la diferencia entre dos tensiones de alimentación no supere un valor determinado. Este requisito se aplica durante el encendido y el apagado, así como durante el funcionamiento en estado estacionario; suele ser para evitar el latch-up en un ASIC con doble alimentación. Otros sistemas requieren que una fuente de alimentación se active después de la otra, por ejemplo, cuando un reloj del sistema debe iniciarse antes que un bloque lógico. Las típicas fuentes de alimentación dobles o las conexiones de la placa base pueden encenderse a ritmos arbitrarios, dependiendo de la corriente de carga, el tamaño del condensador, los ritmos de arranque suave, etc. Las soluciones tradicionales pueden ser engorrosas o requerir complejos circuitos para cumplir los requisitos necesarios.

El LTC1645 ofrece soluciones sencillas a las necesidades de seguimiento y secuenciación de la energía. El LTC1645 puede garantizar el seguimiento de la alimentación moviendo las alimentaciones hacia arriba y hacia abajo, y permite casi cualquier combinación de rampas de alimentación para cumplir diversas especificaciones de secuenciación. La figura 4 muestra una aplicación en rampa de VOUT1 y VOUT2 sube y baja juntos. El pin ON debe alcanzar 0,8V para activar GATE1, que eleva VOUT1 y VOUT2. El comparador de reserva tira de la clavija ON hacia abajo hasta que VCC2 es superior a 2,3V, y la clavija ON no puede alcanzar 0,8V hasta que VCC1 es superior a 3V. Por lo tanto, ambos suministros de entrada deben estar en regulación antes de que pueda comenzar un ciclo de retardo. Al final del ciclo de retardo, las tensiones de salida suben juntas. Si cualquiera de las dos fuentes de entrada se sale de la regulación o se detecta una condición de sobrecorriente, las puertas de Q1 y Q2 se bajan juntas.

Figura 4: Subida y bajada simultánea de 3,3V y 2,5V.

La figura 5 muestra una fotografía del osciloscopio del circuito de la figura 4 en acción. En el encendido, VOUT1 y VOUT2 se incrementan a la vez. Al apagar, el LTC1645 apaga Q1 y Q2 simultáneamente. La carga permanece almacenada en CCARGA1 y CCARGA2 y las tensiones de salida variarán en función de las cargas. D1 y D2 se encienden a ≈1V (≈0,5V cada uno), lo que garantiza que VOUT1 nunca supera la VOUT2 de más de 1,2V, mientras que D3 garantiza que VOUT2 nunca es mayor que VOUT1 de más de 0,4V. A menos que haya una sobretensión en la(s) entrada(s), el único momento en que estos diodos pueden conducir corriente es durante un apagado, y sólo para descargar CCARGA1 o CCARGA2. En caso de una condición de sobretensión de entrada que provoque una corriente excesiva, el disyuntor se disparará si el nivel de límite de corriente está ajustado adecuadamente.

Figura 5. Señales de entrada, salida y control del circuito de la figura 4.

La figura 6 muestra el LTC1645 configurado para hacer una rampa de VOUT1 antes de VOUT2. CCARGA1 está inicialmente descargada y D1 está en polarización inversa, por lo que la tensión en la patilla ON está determinada únicamente por VCC1 a través del divisor de resistencias R1 y R2. Si VCC1 es superior a 4,6V, la tensión en la patilla ON supera los 0,8V y VOUT1 sube a la potencia un ciclo de sincronización después. Como VOUT1 aumenta la potencia, D1 entra en polarización directa y tira de la clavija ON por encima de 2V cuando VOUT1 ≈ 4.5V. Esto activa GATE2 y VOUT2 está aumentando su poder. El comparador FB controla VOUT2y el comparador de reserva controla VOUT1 con RHYST creando ~50mV de histéresis. Para garantizar que VOUT1 no cae muy por debajo de VOUT2 como los condensadores de carga se descargan durante el apagado, se puede conectar un diodo Schottky desde VOUT2 a VOUT1.

Figura 6. Aumento de potencia de 5V seguido de 3,3V.

Conclusión

El diseño de un sistema tradicional de intercambio en caliente requiere un esfuerzo importante por parte de un diseñador analógico experimentado. Una forma fácil de reducir el esfuerzo de diseño es utilizar el LTC1645, que ofrece controladores de compuertas con bomba de carga, retardo programable por el usuario, monitores de nivel de tensión y otras funciones especializadas. Con el LTC1645, es fácil crear sistemas fiables de intercambio en caliente.

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