Построение источников питания для аппаратуры, в составе которой содержатся FPGA и CPU, является достаточно сложной задачей. Это объясняется тем, что для питания таких ПЛИС используются многоуровневые источники питания, причем отдельно для питания ядра, отдельно для периферийных узлов, отдельно для памяти и устройств ввода/вывода и т.д. Причем необходимо включать эти напряжения в правильной последовательности и с необходимой задержкой между включением каждого источника, т.е. осуществлять синхронизацию работы источников питания.
Компания GAIA CONVERTER выпускает модуль DC/DC-преобразователя MPGS14A в металлическом корпусе (рис. 1), который предназначен для применения в продукции военного назначения и позволяет обеспечить необходимую последовательность включения различных источников, используя несколько одинаковых микросхем [1, 2].
Модуль обеспечивает работу надежную работу в диапазоне входных напряжений 4.75…36 В. Выходное напряжение может быть установлено подключением внешнего резистора в диапазоне от 1.2 до 24 В. При выходном напряжении 3.3 В модуль обеспечивает выходной ток 14 А. Более детально с характеристиками модуля можно ознакомиться в [1].
Рис. 1. Модуль DC/DC-преобразователя MPGS14A
В примере, приведенном на рис. 2, три преобразователя MPGS14А формируют три напряжения питания – 12. 5 и 3.3 В. Резистор, подключенный к выводу VTRIM MPGS14А, используется для программирования выходного напряжения этой микросхемы. Без подключения резистора выходное напряжение по умолчанию составляет 3.3 В. Включение резистора между выводом VTRIM и общим проводом позволяет установить выходное напряжение выше 3.3 В. Включение резистора между выводами VTRIM и VО (Vout) позволяет установить выходное напряжение в диапазоне от 1.2 до 3.3 В. Внешний конденсатор, подключенный к выводу SD_UVLO, используется для задержки включения каждого преобразователя MPGS14А. Изменяя емкость конденсаторов, подключенных к этим выводам, можно обеспечить требуемую последовательность включения источников с различным выходным напряжением. Задержку времени включения можно рассчитать по формуле
где td – время задержки включения в мс. Cext – емкость конденсатора в нФ, подключенного к выводу SD_UVLO, Vin – входное напряжение в вольтах.
Осциллограммы выходных напряжений схемы, представленной на рис. 2, приведены на рис. 3.
Рис. 2. Схема формирования трех напряжений питания с различным временем включения
Рис. 3. Осциллограммы выходных напряжений
источников питания 12 В (оранжевый), 5 В
(фиолетовый) и 3.3 В для схемы,
приведенной на рис. 2
Другой способ получить последовательность со сдвигом во времени заключается в реализации функции отслеживания. Функция отслеживания MPGS14EB позволяет управлять временем включения выходного напряжения при зарядке внешнего конденсатора до 0.8 В от внутреннего генератора тока 10 мкА, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Фрагмент схемы преобразователя
MPGS14А, обеспечивающий заряд внешнего
конденсатора от внутреннего источника тока
Время включения преобразователя при использовании функции отслеживания можно рассчитать по приближенной формуле
где tstart – время включения источника в мс, Сext – емкость внешнего конденсатора в нФ, подключенного к выводу TRK.
На рис. 5 приведена модель в Multisim, позволяющая определить время включения преобразователя.
Рис. 5. Модель для определения времени
включения преобразователя
При приведенных на рис. 5 значениях емкостей рассчитанное значение времени задержки составляет 21.78 мс. Проверка показала, что расчетное время очень близко к полученному в результате моделирования. На рис. 6 приведены результаты измерения времени задержки при емкости внешнего конденсатора 220 нФ. Измеренное время задержки включения составляет 21.87 мс.
Рис. 6. Результаты измерения времени задержки при емкости
внешнего конденсатора 220 нФ
В схеме, приведенной на рис. 7, время включения различных источников формируется с использованием функции отслеживания.
Для этих целей используются два внешних конденсатора разной емкости, что позволяет сформировать различное время включение каждого из источников питания. На рис. 8 приведены осциллограммы выходных напряжений, приведенной на рис. 7 схемы.
Рис. 7. Схема формирования трех напряжений питания с использованием функции отслеживания
Рис. 8. Осциллограммы выходных напряжений,
формируемых с использованием функции
отслеживания
Следует обратить внимание, что по сравнению с предыдущей схемой, все выходы включаются практически одновременно, но номинальное напряжение устанавливается за время, определяемое емкостью, подключенного к выводу TRK конденсатора.
На рис. 8 оранжевым цветом показано напряжение 12 В, фиолетовым цветом 5 В и зеленым – 3.3 В. Цена деления по горизонтальной оси 5 мс.
Еще один вариант включения, позволяющий сформировать требуемое время включения каждого из источников, приведен на рис. 9.
Рис. 9. Схема, реализующая функцию «совпадение
с отслеживанием»
Эта последовательность включения известна как «совпадение с отслеживанием». В этом режиме источник с самым большим напряжением используется как ведущий и включает другие источники. Это достигается использованием конденсаторов с одинаковой емкостью, подключенными к выводам TRK, и подключением к выводам VTRIM резисторов, сопротивление которых выбирается так, чтобы падение напряжения на них составляло примерно 0.8 В.
Например, когда напряжение на выходе первой микросхемы (Vout = 12 B) достигает значения 5 В, напряжение, генерируемое на выводах TRK, также установится равным 5 В. Как следствие включается источник напряжения 5 В. На рис. 10 показана полученная последовательность включения источников при реализации такого режима.
Рис. 10. Осциллограммы выходных
напряжений, формируемых с использованием
функции «совпадение с отслеживанием»
Еще один вариант включения микросхем для формирования различных задержек включения приведен на рис. 11.
Рис. 11. Второй вариант схемы, реализующей функцию
«совпадение с отслеживанием»
Включение источников с более низким выходным напряжением осуществляется путем подачи части напряжения источника с более высоким напряжением. На рис. 11 источник с выходным напряжением 12 В управляет работой источников 5 и 3.3 В. Если сопротивление нижнего резистора принять равным 3.9 кОм, то сопротивление верхнего резистора можно рассчитать по формуле
где Rh – сопротивление верхнего резистора в дели- теле напряжения, Rl – сопротивление резистора, подключенного к выводу VTRIM микросхемы с более низким уровнем выходного напряжения, V0slave – номинальное выходное напряжение микросхемы, управляемой делителем.
Осциллограммы напряжений, сформированных схемой (рис. 11) приведены на рис. 12.
Использование преобразователей MPGS14А позволяет создавать надежные источники питания и формировать необходимую последовательность включения различных напряжений путем подключения нескольких пассивных элементов. Высокая надежность и широкий диапазон рабочих температур позволяют использовать такие источники питания в жестких условиях эксплуатации.
Рис. 12. Осциллограммы выходных напряжений, формируемых с помощью
делителей и использованием функции «совпадение с отслеживанием»
ЛИТЕРАТУРА
1. https://gaia-converter.com/docs/ds/MPGS14A.pdf
2.https://gaia-converter.com/Multiple-voltage-sequencing-with-MPGS14A.pdf
Лайкнуть
Твитнуть