El sector de la electrónica está apostando claramente por la integración, lo que permite crear diseños más compactos y eficientes. Los fabricantes de componentes electrónicos producen chips cada vez más pequeños, con más componentes integrados, y con un abanico más amplio de funcionalidades. Prueba de ello son los microcontroladores altamente integrados (con la adopción de sistemas en paquete, SiP), las FPGAs con funcionalidades masivas, o las fuentes de alimentación conmutadas multidominio (p.ej., los controladores integrados de suministro de energía o PMIC).

Si bien esta integración ayuda a reducir el espacio que ocupan los nuevos diseños, se tiende a asumir (erróneamente) que éstos empezarán a funcionar sin más. Un problema al que, a pesar de ser recurrente, no se le presta la debida atención es la secuencia de encendido (y apagado, en algunas ocasiones) de las alimentaciones del diseño para evitar fallos de funcionamiento.

¿Qué es la secuenciación de alimentaciones y cómo funciona?

Básicamente, la secuenciación de alimentaciones consiste en crear una secuencia controlada de encendido/apagado de las distintas fuentes de alimentación que componen un sistema o conjunto de placa de circuito impresa (PBA). Un diseño rara vez cuenta con una única fuente de alimentación. Muchos de los circuitos integrados (ICs) tienen más de una (p.ej., una para la parte digital y otra para la parte analógica, una para procesos de entrada/salida (IOs) y otra para el núcleo, etc.).

Los fabricantes de circuitos integrados suelen facilitar valores específicos o dar instrucciones concretas sobre la secuencia de encendido/apagado. A modo de ejemplo, echemos un vistazo al extracto de la hoja de datos de un microcontrolador:

Fuente: Hoja de datos de un microcontrolador de baja potencia

En este caso, existen dos grupos principales que deben secuenciarse en base a requisitos muy específicos.

Esto puede hacerse de varias maneras:

• Encadenando la potencia de salida de convertidores DC-DC mediante una funcionalidad integrada. Los convertidores DC-DC suelen tener un pin de activación específico (ENABLE) que puede usarse como entrada para fases secundarias (ligado al voltaje de tensión primaria o la señal de conexión (Power-Good)). A menudo, esta suele ser la solución más sencilla para casos en los que los requisitos de secuenciación de la alimentación no son ni restrictivos ni muy complicados.
• Usando circuitos ad hoc, ya sean completamente analógicos (con transistores, comparadores, etc.) o con lógica integrada (mediante el uso de CPLD o FPGA). Esta solución es más compleja y suele emplearse en diseños de conexión en caliente/con redundancia en frío (por ejemplo, en electrónica aeroespacial o en diseños para misiones críticas).

Problemas derivados de una secuenciación incorrecta de alimentaciones

Tal y como afirmamos en la entradilla, este es un aspecto en el que los diseñadores inexpertos no suelen reparar.

Si se hace de manera incorrecta, el problema más típico es que partes del sistema o del conjunto de placa impresa reciben tensiones en zonas que permanecen apagadas. Esto puede causar daños (al excederse el voltaje máximo), un diagnóstico erróneo de estados digitales (al interpretar los circuitos digitales un bajo voltaje como una señal digital de potencia nivel alto), o problemas de otro tipo relacionados con la electrónica digital.

Estos problemas pueden clasificarse en dos categorías:

• Problemas sistemáticos: estos problemas aparecerán siempre y serán fáciles de identificar durante la fase de arranque de los primeros prototipos. Son fallos que el ingeniero no puede obviar (por ejemplo, que el microcontrolador no se encienda, que un circuito integrado se queme, etc.). Solucionar estos problemas requiere siempre un rediseño.
• Problemas no sistemáticos: aparecen de manera aleatoria y pueden depender de multitud de factores: temperatura, tensión residual, o incluso niveles de tolerancia de cada unidad. A veces, someter repetidamente a un componente a voltajes que exceden su límite puede provocar fallos prematuros y causar que el tiempo medio entre fallos (MTBF) se acorte de forma drástica. La mayoría de las veces, estos problemas se detectan durante las pruebas de verificación del diseño (DVT) o, en el peor de los casos, en la fase piloto de fabricación.

La mejor manera de mitigar estos problemas es durante la fase de diseño. Por eso, resulta importantísimo:

• Contar con una lista de todos los requisitos de secuenciación de la alimentación a nivel componente, placa y subsistema.
• Realizar simulaciones adecuadas. Herramientas modernas (como LTSpice) son fáciles de parametrizar y siempre es buena idea incluir ruido/interferencias en análisis avanzados (simulación Monte Carlo, análisis de peor escenario posible, etc.).
• Construir prototipos o maquetas siempre que sea posible. Hoy en día, la mayoría de los circuitos integrados cuentan con placas de evaluación que permiten probar las distintas ideas de diseño.

Conclusión – ¡Cuidado con secuenciar las alimentaciones!

Una buena secuenciación de alimentaciones empieza en las primeras etapas de diseño. Es importante que los ingenieros tengan este concepto siempre presente, le dediquen algo de tiempo durante las fases de diseño (para llevar a cabo simulaciones concretas, por ejemplo), y destinen parte de las pruebas de verificación del diseño a identificar (de forma temprana) posibles problemas en la secuenciación de la alimentación. El servicio posventa también es clave para detectar fallos potenciales gracias a comentarios de clientes.

Teldat es plenamente consciente de los problemas que puede causar una secuencia de encendido incorrecta. Aunque los problemas sistemáticos pueden resolverse con un rediseño, a menudo esto implica un retraso en la comercialización del producto. Los problemas no sistemáticos, por su parte, pueden afectar al cliente final (lo que se traduce en una pérdida de confianza).

Los equipos Teldat se diseñan con mimo, teniendo en cuenta los requisitos internos, realizando las simulaciones y el modelado necesario, y sometiéndolos a pruebas extremadamente exigentes en condiciones muy variadas. Además, como el diseño perfecto no existe, las opiniones de nuestros clientes se trasladan siempre al departamento de Hardware e I+D para seguir aprendiendo y mejorando.

Este enfoque y las buenas prácticas que aplica la compañía han convertido a Teldat en una marca reconocida por sus equipos fiables, de rápida comercialización, con un tiempo medio entre fallos bastante amplio, y capaz de aportar diseños novedosos al mercado.