Strømforsyninger er kritiske blokke i ethvert elektronisk sikkerhedsrelateret system. Ved at øge robustheden og de systemorienterede funktioner i disse forsyningsblokke kan man derfor også undgå en lang række systemfejl. I denne artikelserie skal vi se på tre forsyningsløsninger i forhold til almindelige systemfejl, der alle relaterer til udladninger på output
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 1 – 2026 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Bryan Angelo Borres, senior product applications engineer, og Ino Lorenz Ardiente, senior systems design engineer, Analog Devices Inc.
Strømforsyningerne er blandt de mest kritiske komponenter i elektroniske systemer, og deres behaviour hænger tæt sammen med systemfunktionen under forskellige driftstilstande lige fra power-up til stabil drift og i fejltilstande, hvor det vil være kritisk at opretholde en sikker tilstand for systemets funktionelle sikkerhed. Netop systemegenskaberne er et nøglekrav, når det drejer sig om den grundlæggende standard for sikkerhedsfunktioner. Det er et krav, som handler om at forebygge og styre systemfejl, der kan opstå som følge af designfejl, forkerte specifikationer og manglende styring igennem eksempelvis et produktionsforløb for et givent produkt. Med krav til forebyggelse af systemfejl kommer så også behovet for at forhindre fejl på systemniveau i strømforsyningerne.
Eliminering af systemfejl som følge af fejl i strømforsyninger drejer sig derfor om korrekte specifikationer, den nødvendige sekvensering af forsyningen og en sikring af, at belastningerne altid ligger inden for de ønskede marginer. Billedsensorer i sensorsubsystemer og mikrocontrollere i logiske subsystemer hører til blandt de mest følsomme komponenter i sikkerhedsrelaterede systemer, som vist i figur 1. Hvis et system-reset involverer en automatisk genstart af strømforsyningen til disse subsystemer, kan det påføre komponenterne downstream skader.
I billedsensorer vil ufuldstændige power-up eller power-down cyklusser stresse kredsløbene. Når systemet er slukket, bør forsyningen til billedsensoren også slukkes så hurtigt som muligt, så et billedopsamlingssystem hurtigt vil kunne startes igen under ideelle forhold, navnligt uden restspændinger i kredsløbet. Hvis sensorer er forsynet fra en typisk lineær regulator – selv om forsyninger til regulatoren er slukket – kan regulatorens output ofte være holdt oppe af en kondensator på output, så billedsensoren fortsat er forsynet og potentielt kan forstyrre den ønskede turn-off og turn-on ydelse i systemet.
Figur 2 viser et eksempel på en strømforsyning med 3,3V på en 10µF output-kondensator. Eksemplet viser en 160ms afladningstid i en 10kΩ-belastning simuleret med brug af LTspice.
Brug af afladningsfunktion på output
Én måde at sikre sig, at spænding på output er fuldt afladet ved turn-off, er med en afladningsfunktion. Afladningsfunktionen er nødvendig i applikationer, der kræver præcis sekvensering af forsyningen og hurtigere turn-off tider, som i de tilfælde, hvor forsyningerne skal håndtere svævende output-spændinger for systemets forsynings-rails under system power-down for at afhjælpe eventuelle problemer under power-cycling. Figur 3 viser et eksempel på en output-spændingskurve med og uden en afladningsfunktion på output.
I mange nye power-management designs bliver der brugt low dropout (LDO) regulatorer med stadigt flere funktioner inklusive de mere og mere gængse power-good signalindikatorer (PGOOD). Det er et status-output fra LDO’en, og det fortæller systemet, hvornår den ønskede spænding på output er opnået og kører med korrekt regulering. I de fleste tilfælde kommer signalet fra en open-drain MOSFET, der ændrer status baseret på regulatorens tilstand. Når LDO’ens output er indenfor reguleringen, slukker PGOOD MOSFET’en, hvilket giver en høj impedans på pin’en, så PGOOD output-pin’en bliver trukket ”høj” (figur 4a). Hvis output derimod ligger uden for reguleringen, tænder MOSFET’en og trækker PGOOD-pin’en ”lav” via den lave impedanssti. Denne konfiguration giver et nemt PGOOD-signal, som kan interface til forskellige logikniveauer og forsyningsspændinger, og det er en både alsidig og bredt anvendelig løsning (figur 4b).
Det er så også hér, at der opstår designudfordringer. Da den open-drain MOSFET, som bruges i de fleste LDO PGOOD-outputs, primært er designet til housekeeping-formål, kan den kun sinke en ret lille strøm. Det er derfor ikke en egnet løsning til store strømme direkte fra kondensatoren på output – som hvis målet er hurtigt at aflade output, når LDO’en bliver slukket eller afbrudt. Forsøges med dét, kan det skade komponenten – eller i bedste fald bare være en ineffektiv løsning.
PGOOD-signal parret med en ekstern MOSFET
En mere robust brug af PGOOD-signalet er i kombination med et eksternt MOSFET-kredsløb, der kan fungere som en styret afladningssti. Som vist i figur 5 bruger det kredsløb en afladningsmodstand, R1, der bestemmer, hvor hurtigt kondensatoren på output vil aflade. Designeren kan tilpasse den modstand til den ønskede afladetid, og mindre modstandsværdier aflader i sagens natur hurtigere. I denne konfiguration fungerer MOSFET Q1 som en afladningsswitch, der tænder, når konverteren bliver disabled gennem enable-pin’en (EN). Samtidigt inverterer Q2 logikken i PGOOD-signalet fra LDO’en og sikrer dermed en korrekt timing af Q1’s aktivering. Dette setup gør et fuldt ud kundespecifikt aktivt afladningskredsløb muligt med respons i forhold til LDO’ens status.
Med denne metode kan enhver LDO, som er udstyret med en PGOOD-pin effektivt opgraderes med en ekstern aktiv afladningsfunktion af output. Det giver en høj grad af fleksibilitet og mulighed for fintuning af afladningsprofilen på en given forsynings-rail. Trade-off er dog de ekstra omkostninger og pladsbehov på printet som følge af de eksterne komponenter. Ikke desto mindre er denne metode værdifuld og nemt tilpasset i applikationer, hvor en præcis afladningskontrol er kritisk.
Implementering af en integreret løsning og monitering
For at løse opgaven om afladning uden eksterne komponenter tilbyder Analog Devices LDO-løsninger med integrerede aktive afladningsfunktioner. Et eksempel er LT3063, der har en indbygget aktiv output-afladningsmekanisme, som forenkler designet, reducerer antallet af komponenter og sparer plads på printet med en samtidig hurtig afladningsydelse. Figur 6 viser komponenten, som opnår en afladningstid på kun 0,5ms, hvilket er en betydelig forbedring i forhold til eksemplet i figur 5.
I sikkerhedskritiske applikationer vil man måske foretrække et separat kontrolkredsløb for øget pålidelighed og en tilstrækkelig grad af uafhængighed. En forsyningssekvensstyring som LTC2928 integrerer den over- og underspændingsmonitering, der er nødvendig for at overholde de krav, der måtte eksistere til funktionel sikkerhed, sekvensering af forsyningen og afladning af output. Figur 7 er et kredsløbseksempel. Andre kontrolkredsløb med afladningsfunktion af output omfatter MAX16050 og MAX16051.
Konklusion
Valget af en velegnet måde til at aflade output på strømforsyning kræver en nøje evaluering af designkrav og driftstilstande. De forskellige metoder til implementering af aktiv afladning af output har hver især deres egne klare fordele og trade-offs. Én løsning kan være den mest effektive under specifikke output- eller applikationsforhold, mens en anden metode kan give en bedre ydelse under andre forhold. Forståelse af de unikke karakteristika og begrænsninger i hver teknik er derfor afgørende for at opnå en optimal implementering.
En ekstern MOSFET er typisk at foretrække i applikationer med højere spændinger på output, eller hvor en maksimal fleksibilitet er nødvendig. Man skal dog være villig til at acceptere de højere omkostninger og større pladskrav samt de øgede tab i inverterkredsløbet, som en sådan løsning medfører. De integrerede løsninger er derfor som regel bedst i laveffekt eller pladstrange designs, da de ikke kræver ekstra komponenter eller giver øgede effekttab. Ulempen er et begrænset udbud, da kun relativt få LDO’er har denne funktion. Desuden er kontrolkredsløb velegnede til systemer med multiple output-rails, og hvor sekvensering er vigtig. Selv om deres MOSFET sink-strøm er begrænset – hvad der gør disse komponenter mindre effektive til store output-kondensatorer – så er de fremragende løsninger til sekvensering, systemkoordination og en vis grad af uafhængighed, hvor funktionel sikkerhed er kritisk. En definitiv afgørelse bør altså baseres på en tilpasning af de enkelte metoders styrker i forhold til specifikke output-spændinger, pladsen til rådighed, den påkrævede afladningstid samt kravene til sekvensering i applikationen.
Billedtekster:
Figur 1: Eksempel på subsystem i en AMR (Autonom Mobil Robot).
Figur 2: Strømforsyningseksempel med en LDO (a) og afladningstid for output-spændingen (b).
Figur 3: Output-udladningsdrift.
Figur 4: PGOOD signaldemonstration ved aktivering (a) og deaktivering (b).
Figur 5: Brug af PGOOD-signal i en LT3045 til trigging af eksterne MOSFETs i et afladningskredsløb (a) og afladetiden på 3,2ms i en 10kΩ output-belastning (b).
Figur 6: LT3063-kredsløbseksempel (a) og afladningstiden på 0,5ms i en 10kΩ output-belastning (b).
Figur 7: LT2928-kredsløbseksempel (a) og afladningstiden på 6,5ms i en 10kΩ belastning (b).
