Formas adecuadas de desconectar los circuitos integrados durante los estados de baja potencia para evitar el suministro de parásitos / retroalimentación

10

Estoy trabajando en un proyecto basado en AVR basado en baterías de baja potencia que integra algunos dispositivos diferentes, incluida una tira de neopíxeles y un duendecillo Adafruit . Cuando el dispositivo en general está inactivo, me gustaría consumir menos de 0.1 mA para maximizar la vida útil de la batería LiPo.

Todo esto funcionó (midió 0.035mA) pero no estoy seguro de que necesariamente lo hice de la manera "correcta" y planeo construir un producto basado en esto, así que me gustaría hacerlo bien.

ingrese la descripción de la imagen aquí (No se muestra: un diodo de retorno para el relé)

La principal preocupación que tengo es la alimentación "parasitaria" de los dispositivos cuando VCC se desconecta a través de la corriente que fluye desde los pines de datos. Por ejemplo, el Pixie (que se comunica a través de serie), no tiene modo de apagado e incluso cuando "apagado" drena alrededor de un miliamperio. Así que coloqué un pequeño relé para desconectar su VCC y descubrí que el pin serial todavía estaba alimentando al duendecillo. Las sugerencias en otros lugares sugieren que muchos chips tienen un diodo que deriva sus pines de entrada digital a VCC como protección de energía. Para resolver esto, tuve que suspender la biblioteca en serie y en realidad digitalWrite (PIN, LOW) durante el sueño.

Lo mismo con la tira WS2812b: desconectar VCC aún permite que el dispositivo se alimente desde el pin de datos. Y en otros diseños, cuando desconecté GND con un MOSFET de canal N, vi lo contrario: ¡un flujo de corriente a través de la línea de datos a tierra! (Esto tenía que resolverse con un diodo por publicación en PJRC.) Los WS2812b en realidad toman aproximadamente un miliamperio cada uno, incluso cuando están apagados,

Entonces, la pregunta: ¿hay una forma general y "limpia" de desconectar VCC y GND de partes de un proyecto durante la suspensión del sistema cuando hay pines de datos en la mezcla. cual es la mejor practica?

Algunas ideas:

  1. Forzar VCC a GND (¿no está seguro cómo? ¿Hbridge?). (Si hago eso, ¿qué pasa con los pines de datos que son altos?)
  2. Coloque un búfer de tres estados entre todos los pines de datos y estos dispositivos, y durante el sueño, coloque el búfer de tres estados en un estado de alta impedancia, desconecte VCC o GND solo con mosfet P o N
  3. Desconecte GND solo con N mosfet y coloque diodos en todos los pines de datos
  4. ¿Hay algún tipo de enganche de alimentación que desconecte tanto VCC como GND y los ponga en un estado de "alta impedancia" (como un búfer de tres estados para la alimentación?) De esa manera, la corriente no tiene forma de "salir" de las líneas de datos.

¿Puede alguien iluminarme sobre la forma más limpia y repetible de manejar este tipo de problema de "desconexión de carga"? (No hace falta decir que pasé horas buscando en Google este problema con poca suerte, aunque encontré esta nota técnica sobre el cambio de carga, pero no aborda la retroalimentación y el poder parasitario)

Jeremy Gilbert
fuente
Sí, esto es muy molesto, en realidad he visto casos en los que la energía que alcanza un pin GPIO puede encender un AVR (código de ejecución) incluso sin que la energía llegue a los pines VCC ...
vicatcu
2
Observación divertida: hice algunas búsquedas más en Google desde que publiqué esta pregunta y esta pregunta en SE apareció como de primer rango. Google indexó esta página en menos de 10 minutos.
Jeremy Gilbert
Solo comentario: los interruptores de aislamiento adecuados, como han sugerido otros, son la mejor solución cuando no se puede eliminar un voltaje remoto. PUEDE ser que el uso de diodos Schottky para introducir pines con cátodos comunes y generalmente en Vcc y sujetos a tierra cuando se desea aislamiento, proporcionará la eliminación adecuada de voltajes de alta impedancia. Obviamente, Schottky sujetando una línea de alimentación con baja impedancia puede arruinar su día.
Russell McMahon
Probablemente Hi-Z-ing todas sus conexiones de alguna manera (pines de tres estados µC, búferes de tres estados, interruptores analógicos, lo que sea), como han sugerido Peter Smith y CL, es la mejor opción. Cuál de los métodos es mejor, no estoy seguro. En cualquier caso: ¿por qué utiliza un relé para la conmutación, y no un P-MOSFET (o un N-MOSFET del lado inferior para el caso, aunque la conmutación del lado inferior probablemente sea un poco más difícil aquí)?
FlashCactus

Respuestas:

5

Cuando hago esto, generalmente uso interruptores analógicos CMOS en las líneas de datos afectadas.

Algo así como el ADG812 tiene 4 canales de interruptores SPST que son fácilmente adecuados para una lógica bastante rápida y proporcionan una impedancia realmente alta entre los nodos del interruptor cuando están en estado apagado.

ADG812 fuera de fuga

Lo bueno de esto es que la técnica funciona tanto para líneas de datos unidireccionales como bidireccionales.

Estas partes también se ejecutan en una sonrisa brillante:

Requisitos de alimentación de ADG812

La secuencia habitual para apagar:

  1. Apague los interruptores de ruta de datos

  2. Apagar dominio.

Encender es lo contrario, por supuesto.

[Actualizar]

De hecho, estos se conocen con otros nombres, como puertas de paso y puertas de transmisión .

Estos son significativamente diferentes de un verdadero búfer de tres estados (como puede ver en el diagrama en el enlace de arriba), pero para la lógica ordinaria, el efecto es mejor (este es inherentemente un dispositivo bidireccional) pero con menor potencia.

Peter Smith
fuente
Perdone la ignorancia de la pregunta, pero ¿es esto marcadamente diferente que un búfer de tres estados? (¡Y gracias por la respuesta!)
Jeremy Gilbert
Estos también se conocen como "puertas de paso"
vicatcu
3

Si las señales de datos están conectadas a su microcontrolador, simplemente puede hacerlas de alta impedancia configurando esos pines como entradas. (Si el otro chip usa muy poca energía, puede tratar su Vcc como una señal de datos).

De lo contrario, puede usar interruptores analógicos (chips lógicos 74x66) para desconectarlos. Para señales unidireccionales, 74x125 también funcionaría.

CL.
fuente
En realidad, no es necesario que sean de alta Z, solo puede conducir las líneas GPIO del micro bajo.
DoxyLover
1
Eso sería más peligroso si el otro chip pudiera conducir la señal a un nivel alto.
CL.
Solo así que entiendo completamente, ¿cambiar los pines a las entradas siempre es lo mismo que ponerlos en un estado de alta impedancia? ¿Eso se generaliza a la mayoría de las MCU o solo a las AVR? ¿Es ese estado el mismo que obtendría del 74x125 cuando OE está desactivado?
Jeremy Gilbert
@JeremyGilbert Todas las entradas CMOS tienen alta impedancia (son compuertas MOSFET, que se comportan como condensadores muy pequeños). Una salida '125 desactivada no tiene puerta, pero la diferencia es insignificante.
CL.
1
@JeremyGilbert Las entradas son generalmente de alto Z en la mayoría de las aplicaciones; después de todo, es difícil sentir algo cuando conduces la línea. Dicho esto, con AVR al menos (y probablemente otros también, pero no conozco los detalles), debe tener cuidado con los pullups internos: si el pin está en modo de entrada (configurado a través de DDRx) y escribe BAJO en (a través de PORTx), está en modo Hi-Z normal. Sin embargo, si escribe ALTO mientras está en modo de entrada, el pullup interno está habilitado y, desde afuera, el pin parece una resistencia de ~ 50K a VCC en lugar de una línea flotante.
FlashCactus
1

Desafortunadamente, no creo que haya una estrategia única para todos. Cambie la alimentación a los subsistemas como ya lo ha hecho. En el software, los pines de la unidad son bajos para estados de baja potencia, a menos que hacerlo cause una condición de estado estable de alta potencia. En ese caso, empuje el pasador alto. Nunca permita que las entradas floten. Secuencia de potencia según sea necesario para establecer condiciones iniciales seguras.

vicatcu
fuente
1

Un problema desagradable que puede hacer que los microcontroladores hagan cosas muy extrañas.
La buena solución es usar E / S seriales desplegables como . Esto requiere resistencias pull-up en SCK, líneas SDA. Las resistencias pull-up están conectadas a la línea Vcc conmutada. Asegúrese de que la línea Vcc conmutada cae muy bien a cero voltios cuando está apagada (no la deje flotar). I2C

No tiene esa opción: está obligado a usar E / S en serie asíncronas. Algunos microcontroladores permiten un enfoque similar al I2C para resolver el problema. Si puede programar el pin de salida en serie para que sea solo desplegable en lugar del más común pull-up-for-1, pull-down-for-0 , entonces puede agregar una resistencia pull-up a Vcc conmutada a establecer una lógica alta.
Esta solución no es tan resistente al ruido como su enfoque actual, pero debería resolver el problema de retroalimentar sus módulos de E / S desde el AVR. Realmente no es una solución "limpia", pero es mucho más segura para los microcontroladores en sus módulos de E / S.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

glen_geek
fuente