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(Bild: tilialucida - Fotolia)

Die nachträgliche Programmierung von Logikchips kommt besonders häufig bei Prüf- und Messsystemen oder  in der Gebäudeautomatisierung vor. Damit FPGAs, DSPs  oder Mikrocontroller programmiert werden können, müssen in der Schaltung die entsprechenden Versorgungsspannungen zur Verfügung stehen. Im einfachsten Fall wird die normale Eingangsspannung verwendet, die auch im regulären Betrieb des Systems vorhanden ist. Aus verschiedenen Gründen kann sich dies aber als nicht praktikabel herausstellen.

Weicht die Programmierspannung von der regulären Betriebsspannung der Applikation ab oder bestehen Sicherheitsbedenken, da andere Subsysteme von der angelegten Eingangsspannung mitversorgt werden, empfiehlt es sich oft, die benötigten Spannungen extern an die Stromversorgung des Systems heranzuführen. Das Anlegen einer Ausgangsspannung ohne Last am Eingang stellt allerdings eine untypische Einsatzsituation dar. Im Folgenden beschreibt dieser Beitrag, wie man solchen untypischen Situationen am besten begegnet und wie Abhilfemaßnahmen aussehen.

Typische Testszenarien

Bild 1: Zum Programmieren eines Mikrocontrollers lässt sich eine externe Spannung an den Ausgang des Wandlers anlegen.

Bild 1: Zum Programmieren eines Mikrocontrollers lässt sich eine externe Spannung an den Ausgang des Wandlers anlegen. TI

In Prüf- und Messanwendungen wird beispielsweise der 16-Bit-Mikrocontroller MSP430G2955 mit 1,8 V betrieben, weil diese Spannung im System ohnehin vorkommt. Zum Programmieren des Flashspeichers ist aber mindestens eine Spannung von 2,2 V notwendig, sodass die Versorgungsspannung kurzzeitig auf diesen Level angehoben werden muss. In Test-Umgebungen ist die einfachste Option, die Programmierspannung von außen an die Stromversorgungsanschlüsse des MSP430-Mikrocontrollers anzuschließen. Bild 1 erläutert den prinzipiellen Aufbau.

In Anwendungen der Gebäudeautomatisierung ist dank der FRAM-Speichertechnologie (Ferroelectric Random Access Memory), über die beispielsweise die Bausteine der MSP430FR5969-Familie verfügen, keine höhere Programmierspannung mehr notwendig. Aus Sicherheitserwägungen kann es dennoch sinnvoll sein, eine externe Spannung  anzulegen, anstatt die vom Gleichspannungswandler auf dem Board erzeugte Versorgungsspannung zu verwenden. Wird ein System aus dem Netz gespeist, bestehen Sicherheitsrisiken, wenn diese Spannung während der Herstellung an das System angelegt ist und noch nicht alle Sicherheitsmechanismen installiert sind. Ähnliches gilt, wenn ein System Motoren oder Heizelemente enthält, da diese ungewollt aktiviert werden könnten.

Vorüberlegungen und Praxistipps

Die Versorgungsspannung von Prozessoren liegt meist deutlich unter der üblichen Systemspannung von 5 V. In der Regel handelt es sich bei der Stromversorgungsschaltung daher um einen Abwärtswandler. Beim Anlegen einer Spannung an den Ausgang eines Abwärtswandlers, ohne dass eine externe Spannung an dessen Eingang vorhanden ist, kann die Spannung vom Ausgang auf den Eingang durchgreifen. Bei nicht eigens für dieses Szenario konzipierten ICs wie beispielswiese dem Abwärtswandler TPS62750, liegt die Spannung am Ausgang auf Grund der Bodydiode des MOSFETs auf der High-Seite auch am Eingang der Schaltung an. Bild 2 erläutert diesen Strompfad. Die folgenden sieben Überlegungen und Maßnahmen helfen, die Sicherheit und korrekte Funktion des Systems bei externer Spannungsversorgung zu gewährleisten:

1. Mit dem Eingang verbundene Schaltungen stehen unter Spannung

Schlägt die am Ausgang angelegte Spannung auf den Eingang durch, stehen auch alle anderen mit dem Eingang verbundenen Schaltungen unter Spannung. Es ist wichtig sich zu vergewissern, dass die Bauelemente diese Belastung tolerieren, denn die Spannung kann so hoch sein, dass andere Subsysteme aktiviert werden. Eine zusätzliche, in Reihe mit dem Eingang geschaltete Diode verhindert dieses Phänomen, wie in Bild 3 erläutert.

2. Durch das IC fließt ein Rückstrom

Bild 2: Strompfad vom Ausgang zurück an den Eingang in einem Abwärtswandler.

Bild 2: Strompfad vom Ausgang zurück an den Eingang in einem Abwärtswandler. TI

Bild 3: Eine in Reihe mit dem Eingang geschaltete Schutzdiode verhindert das Durchgreifen der am Ausgang angelegten Spannung auf den Eingang.

Bild 3: Eine in Reihe mit dem Eingang geschaltete Schutzdiode verhindert das Durchgreifen der am Ausgang angelegten Spannung auf den Eingang. TI

Bild 4: Eine Diode am Ausgang schützt das IC vor Überlastungen beim Hot-Plugging.

Bild 4: Eine Diode am Ausgang schützt das IC vor Überlastungen beim Hot-Plugging. TI

Wird die eingangsseitige Versorgungsleitung vom Ausgang her unter Spannung gesetzt, fließt durch das IC ein Rückstrom. Dieser Strom sollte im Durchschnitt stets kleiner sein als der zulässige Vorwärtsstrom des ICs. Zu vermeiden ist außerdem ein Kurzschluss des Eingangs, da hierbei unzulässig hohe Ströme entstehen würden. Aus dem Rückstrom durch das IC und dem Spannungsabfall zwischen Ausgang und Eingang resultiert eine Verlustleistung mit entsprechendem Temperaturanstieg. Da diese Verlustleistung auf Grund der hohen Vorwärtsspannung der Bodydiode beträchtliche Ausmaße annehmen kann, ist darauf zu achten, dass die zulässige Sperrschichttemperatur des Schaltkreises nicht überschritten wird. Abhilfe auch hinsichtlich des Rückstroms schafft hier eine mit dem Eingang in Reihe geschaltete Diode.

3. Das aktivierte IC nimmt Strom auf

Liegt der Enable-Pin (EN) des ICs  durch ein Steuersignal oder durch Verbindung mit der Eingangsspannung auf High, ist das IC eingeschaltet und nimmt Strom auf. Bei aktiviertem PFM-Modus (Pulsfrequenzmodulation) und Ausgangsspannungen über dem Sollwert, kann der Ruhestrom (IQ) Werte im zweistelligen Mikroamperebereich annehmen. Bei Ausgangsspannungen unter dem Sollwert ist die Spannung am Eingang größer als die Ansprechschwelle der UVLO-Schaltung (Under-Voltage-Lockout) des ICs. Daraufhin wechselt der Schalkreis in den 100-Prozent-Modus, um die Ausgangsspannung auf den Sollwert anzuheben. Soll der Strom der externen Versorgung gemessen und für Pass/Fail-Test in der Produktion herangezogen werden, ist unbedingt zu beachten, dass dieser durch den 100-Prozent-Modus des ICs meist im Milliamperebereich liegt. Einfache Abhilfe schafft hier das Deaktivieren des Schaltkreises.

4. Stromaufnahme des deaktivierten ICs

Verfügt das IC über eine integrierte Ausgangsentladefunktion, nimmt es im deaktivierten Zustand Strom vom Ausgang auf. Sollte die Höhe dieses Stroms problematisch werden, empfiehlt es sich, das IC aktiviert zu halten, da es in der Regel nicht möglich ist, den Ausgangsentladestrom zu unterbrechen. In einigen Fällen ist es vorteilhaft, einen Schaltkreis ohne integrierte Ausgangsentladefunktion zu verwenden.

5. Maximal zulässige Pin-Spannungen beachten

Beim Anlegen einer Spannung an den Ausgang des ICs muss beachtet werden, dass die zulässigen Spannungen der einzelnen Pins nicht überschritten werden. Liegt die externe Spannung über dem vorgesehenen Sollwert, sollten die Pins VOUT, VOS und FB überprüft werden. Besonders beim Hot-Plugging ist es wichtig, dass die Ausgangsspannung innerhalb der Grenzen des ICs bleibt, weshalb es sich unter Umständen empfiehlt, die Spannung schrittweise zu erhöhen. Bild 4 erläutert eine Schutzschaltung für einen Aufwärtswandler.

Die mit dem Ausgang in Reihe geschaltete Diode schützt den VOUT-Pin vor Überspannungen. Beim Aufwärtswandler TPS61240 ist der FB-Pin für eine höhere Spannung zugelassen als der VOUT-Pin, weshalb er bei vorhandener Schutzdiode das Hot-Plugging verkraftet. Die Schutzdiode unterbindet auch etwaige Rückströme oder Spannungen im IC. Die angelegte Ausgangsspannung gelangt über die Spule an den SW-Pin. Die Belastung des Pins darf die vom Hersteller vorgegebenen Maximalwerte nicht überschreiten. Trotz fehlender Eingangsspannung wird in der Regel die zulässige Spannung zwischen SW-Pin und VIN nicht überschritten und eine kurzzeitige Überlastung  führt nicht zwangsläufig zur Zerstörung des ICs. Der Grenzwert ist vielmehr als Warnung zu interpretieren, dass der Schaltkreis Schaden nehmen könnte.

6. Boost-Modus von Abwärtswandlern unterbinden

Eckdaten:

Steht für die nachträgliche Programmierung von Logik-Chips die notwendige Spannung auf der Platine nicht zur Verfügung oder könnten Subsysteme ungewollt aktiviert werden, ist eine externe Spannungsversorgung sinnvoll. Die Spannung am Ausgang des Schaltkreises greift dabei auf den Eingang durch. Durch zusätzliche Schutzdioden, der Beachtung maximal zulässiger Spannungen und Ströme, kurzzeitiger Deaktivierung des IC im Testbetrieb sowie durch Unterdrückung des Boost-Modus von Abwärtswandlern lassen sich Überlastungen und Beschädigungen der Bauelemente verhindern.

Bei Schaltkreisen, die über eine Forced-PWM-Betriebsart zur erzwungenen Pulsweitenmodulation verfügen oder die, wie beispielsweise der Abwärtswandler TPS62097, mit einem MODE-Pin ausgestattet sind, ist es wichtig, dass der Boost-Modus nicht aktiviert wird.  Folgende Punkte führen zum Einschalten des Boost-Modus: Der erzwungene PWM-Modus ist aktiv, das IC ist aktiviert, die angelegte Ausgangsspannung liegt über dem Sollwert und gleichzeitig liegt am Eingang eine zu geringe Last an oder zu niedrige Leckströme verhindern das Ableiten der vorhandenen Energie.

Im Boost-Modus senkt der Schaltkreis die Ausgangsspannung unter den Sollwert. Anders als bei aktiviertem PFM-Modus, bei dem das IC bei zu hoher Ausgangsspannung das Schalten einstellt, arbeitet der Schaltkreis im erzwungenen PWM-Modus mit dem Rückstrom kontinuierlich weiter und verlagert Energie zurück an den Eingang. Bei zu geringer Last oder zu niedrigem Leckstrom nimmt die Spannung am Eingang weiter zu, bis schließlich der Maximalwert erreicht und das IC überlastet wird. Um den Boost-Modus zu unterbinden, kann das IC oder der Forced-PWM-Modus deaktiviert werden.

7. Berücksichtigung des Power-Good-Pins (PG)

Abhängig von der Höhe der angelegten Ausgangsspannung relativ zum Sollwert und vom Zustand des EN-Pins kann es vorkommen, dass der PG-Pin sich nicht im erwarteten oder erforderlichen Zustand befindet. Daraufhin kann es zu falschen Systemstatusmeldungen oder zur Störung anderer Systemspannungen kommen, wenn ein Sequencing erfolgt. Da der PG-Pin meist ein Open-Drain-Ausgang ist, lassen sich die erforderlichen Systemsignale und Spannungen leicht über andere Prüfpunkte anlegen.

Chris Glaser

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(Bild: TI)
Applications Engineer bei Texas Instruments

(na)

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