Rauschen und Störimpulse in Stromversorgungen bewältigen

Anwendungen zur Berechnung und Verarbeitung von Daten, die Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren und Mikrocontroller erfordern, sind auf einen sicheren und zuverlässigen Betrieb angewiesen. Diese Bauelemente stellen hohe Anforderungen an die Stromversorgung, da sie nur in einem bestimmten Toleranzbereich der Stromversorgung betrieben werden dürfen. Spannungswächter sind bewährte Lösungen, um die Systemzuverlässigkeit zu gewährleisten. Sie versetzen das System sofort in den Reset-Modus, wenn eine unerwartete Störung der Stromversorgung auftritt, z. B. eine Unter- oder Überspannung. Allerdings können Rauschvorgänge, Spannungstransienten und Störungen, die von der Stromversorgungsschaltung selbst ausgehen, falsche Rücksetzungen auslösen.

Inhärente Schwachstellen durch Rauschartefakte

Stromversorgungen haben inhärente Schwachstellen. Es gibt immer Rauschartefakte, die in die Gleichspannung eingekoppelt werden. Herrühren können sie von der Stromversorgungsschaltung selbst, vom Rauschen anderer Stromversorgungen sowie von anderen vom System erzeugten Störungen. Diese Probleme verschärfen sich, wenn es sich bei dem Gleichstromnetzteil um ein Schaltnetzteil (SMPS) handelt. Schaltnetzteile erzeugen eine Schaltwelligkeit, die mit der Schaltfrequenz kohärent ist. Sie erzeugen zudem hochfrequente Schalttransienten, die bei Schaltübergängen auftreten. Diese Übergänge werden durch das schnelle Ein- und Ausschalten der Leistungs-MOSFETs verursacht.

Inhärente Schwachstellen durch Spannungstransienten

Neben den Rauschartefakten im stationären Betrieb gibt es zudem Szenarien in der Stromversorgung, in denen Spannungstransienten stärker ausgeprägt sind. Während des Anlaufs ist normalerweise ein Überschwingen der Ausgangsspannung zu beobachten, das mit dem Verhalten der Rückkopplungsschleife des Netzteils zusammenhängt und auf das für einige Zeit ein Spannungsüberschwingen folgt, bis sich der Zustand stabilisiert. Dieses Spannungsüberschwingen kann noch schlimmer sein, wenn die Kompensationswerte der Rückkopplungsschleife nicht optimiert sind. Spannungsüber- und -unterschwinger treten auch bei transienten oder dynamischen Lasten auf.

In den Anwendungen gibt es Zeiten, bei denen die Last mehr Strom benötigt, um komplexe Prozesse auszuführen, was zu einer Unterschreitung der Spannung führt. Andererseits führt eine sofortige Reduzierung der Last oder eine schnelle Rampe zu einem Überschwingen der Spannung. Es gibt zudem kurzzeitige Spannungsspitzen, die durch externe Faktoren in der Stromversorgung auftreten können. Bild 2 zeigt eine Darstellung der verschiedenen Spannungstransienten und Störimpulse, die in verschiedenen Szenarien auf einer Versorgungsspannung auftreten können.

In einem System können Spannungstransienten auftreten, die nicht mit der Versorgungsspannung, sondern mit einer Benutzerschnittstelle, z. B. einem mechanischen Schalter oder einer Zusatzplatine zusammenhängen. Das Ein- und Ausschalten eines Schalters erzeugt Spannungstransienten und Rauschen am Eingangspin – in der Regel ein manueller Reset-Pin. All diese Faktoren – Rauschen in der Stromversorgung, Spannungstransienten und Störimpulse – können unbeabsichtigt die Unter- oder Überspannungsschwelle eines Spannungswächters erreichen und falsche Resets auslösen, wenn diese im Design nicht berücksichtigt werden. Dies kann zu Schwingungsverhalten und Instabilität führen.

Wie gehen Spannungswächter mit Rauschen und Transienten um?

Es gibt einige Parameter, die dazu beitragen, diese mit der Stromversorgung oder der überwachten Spannung zusammenhängenden Transienten zu maskieren. Dazu gehören die Reset-Timeout-Periode, die Reset-Schwellenwert-Hysterese und die Reset-Schwellenwert-Übersteuerung in Abhängigkeit von der Dauer. Bei den Transienten, die mit dem mechanischen Kontakt in der Schaltung verbunden sind, wie z. B. einem Drucktastenschalter im manuellen Reset-Pin, werden die Transienten durch die manuelle Reset-Einrichtungszeit und die Entprellzeit maskiert. Diese Parameter machen die Spannungswächter robust und unempfindlich gegenüber Transienten und Störungen und bewahren das System so vor unerwünschten Reaktionen.

Reset-Timeout-Periode als zusätzliche Zeit für das Rücksetzsignal, bevor es den Schwellenwert überschreitet

Beim Einschalten, oder wenn die Versorgungsspannung nach einem Unterspannungsereignis ansteigt und den Schwellenwert überschreitet, gibt es eine zusätzliche Zeit für das Rücksetzsignal, bevor dieses den Schwellenwert überschreitet: die Reset-Timeout-Periode (t_RP). Bild 3 zeigt als Beispiel, dass nach dem Erreichen des Schwellenwerts durch eine Unterspannung oder beim Einschalten eine zusätzliche Verzögerung für ein aktives LOW-Rücksetzsignal auftritt, bevor dieses den Schwellenwert überschreitet, nachdem die überwachte Spannung, hier die Versorgungsspannung V_CC, den Schwellenwert erreicht hat. Diese zusätzliche Zeit gibt der überwachten Spannung die Möglichkeit, sich zunächst zu stabilisieren, wobei das Überschwingen maskiert wird, bevor das System aktiviert oder aus dem Reset-Modus geholt wird. Die Reset-Timeout-Periode unterdrückt falsche Systemresets, um Oszillation und mögliche Fehlfunktionen zu verhindern.

Welche Vorteile bringt die Schwellenwert-Hysterese?

Eine Schwellenwert-Hysterese bringt zwei wesentliche Vorteile mit sich. Zum einen bietet sie die Gewissheit, dass die überwachte Spannung den Schwellenwert mit genügend Spielraum überschritten hat, bevor ein Reset ausgelöst wird. Zum anderen kann sich die Stromversorgung ausreichend stabilisieren, bevor ein Reset ausgelöst wird. Bei der Verarbeitung von Signalen mit überlagertem Rauschen neigt der Reset-Ausgang zu mehrfachen Übergängen, da die Stromversorgung den Schwellenwertbereich immer wieder durchläuft (Bild 4). In Anwendungen wie z. B. in industriellen Umgebungen können jederzeit verrauschte Signale und Spannungsschwankungen auftreten. Ohne Hysterese schaltet der Reset-Ausgang kontinuierlich zwischen Aktivierung und Deaktivierung um, bis sich die Stromversorgung stabilisiert. Zudem wird das System dadurch in Schwingungen versetzt. Die Schwellenwert-Hysterese behebt die Oszillation, indem sie das System auf Reset setzt, um ein unerwünschtes Verhalten des Systems zu verhindern (siehe den blau schattierten Bereich in Bild 4). Dies hilft dem Spannungswächter, das System vor falschen Resets zu schützen.

Rücksetzschwellen-Übersteuerung über die Zeit

Spannungsspitzen durch äußere Einflüsse können in jedem System für kurze oder lange Zeit auftreten. Sie können zudem unterschiedlich starke Spannungsabfälle aufweisen. Die Übersteuerung der Reset-Schwelle in Abhängigkeit von der Dauer des Einschwingvorgangs hat etwas mit der Größe und Dauer der Spannungsstörung oder Übersteuerung zu tun. Ein kurzzeitiger Störimpuls mit einer größeren Amplitude löst kein Reset-Signal aus, eine Übersteuerung mit geringerer Amplitude und längerer Dauer hingegen schon (Bild 5).

Spannungstransienten in überwachten Stromversorgungen werden in Abhängigkeit von ihrer Dauer ignoriert. Die Nichtberücksichtigung dieser Transienten schützt das System vor unerwünschten Resets, wie sie kurzzeitige Störungen verursachen. Diese Störimpulse können fälschlicherweise Systemresets auslösen, die zu unerwünschtem Verhalten des Systems führen. Im Produktdatenblatt wird die Rücksetzschwellen-Übersteuerung gegenüber der Zeit oft in einer der typischen Leistungskennlinien dargestellt (Bild 6). Werte oberhalb der Kurve lösen einen Reset-Ausgang aus, während Werte innerhalb der Kurve ignoriert werden, um das System vor falschen Resets zu schützen.

Manuelle Rückstellzeit und Entprellzeit mildern Auswirkungen von Spannungstransienten und Störimpulsen

Die Reset-Timeout-Zeit, die Reset-Schwellenwert-Übersteuerung über die Zeit und die Schwellenwert-Hysterese befassen sich mit Spannungsschwankungen und Transienten im Zusammenhang mit der überwachten Spannung, bei der es sich in der Regel um die Stromversorgung des System-Mikrocontrollers handelt. Bei Störimpulsen, die mechanische Kontakte wie z. B. Schalter verursachen, mildern die manuelle Reset-Einrichtungszeit und die Entprellzeit die möglichen Auswirkungen von Spannungstransienten und Störimpulsen.

Die manuelle Reset-Einrichtungszeit (t_MR) ist die Zeit, die benötigt wird, um den manuellen Reset zu halten und abzuschließen, bevor dieser einen Reset-Ausgang auslöst. Einige Spannungswächter sind so konzipiert, dass sie eine lange manuelle Reset-Einrichtungszeit aufweisen, um das System zu schützen. Bei Consumer-Produkten ist es üblich, dass die Taste mehrere Sekunden lang gedrückt gehalten werden muss, um das System zurückzusetzen. Diese Methode verhindert ein versehentliches und unbeabsichtigtes Rücksetzen. Durch die manuelle Reset-Einrichtungszeit werden alle kurzzeitigen Transienten und Störungen beim Betätigen des Schalters ignoriert (siehe Bild 7a), wodurch das System störungsresistent wird.

Dasselbe Konzept gilt für die Entprellzeit. Wie die Reset-Einrichtungszeit ignoriert auch die Entprellzeit (t_DB) die hochfrequenten periodischen Spannungstransienten beim Ein- und Ausschalten eines Schalters. Diese höchstfrequenten Transienten werden als ungültig betrachtet und lösen keinen Reset aus, wie in Bild 7b dargestellt. Wenn das Signal die Entprellzeit überschreitet, wird es als gültiges Eingangssignal von einem Schalter oder Taster betrachtet.

Fazit

Ohne Spannungswächter sind die Systeme der Gefahr von Spannungsabfällen und Fehlfunktionen bei Spannungstransienten und Störungen ausgesetzt. Spannungswächter lösen dieses Problem, indem sie die Prozessoren während solcher Szenarien in den Reset-Modus versetzen. Alle oben genannten Parameter, einschließlich Reset-Timeout-Periode, Reset-Schwellenwert-Hysterese, Schwellenwert-Übersteuerung, manuelle Reset-Einrichtungszeit und Entprellzeit, verbessern die Zuverlässigkeit von Spannungswächtern bei der Überwachung von Versorgungsspannungen, indem sie diese immun gegen Störungen und Transienten machen. Dies verleiht dem gesamten System Stabilität und Zuverlässigkeit. (bs)