面向多軌數(shù)字電路板的精確和靈活之電源電壓監(jiān)察

引言

具 FPGA、微處理器 (µP)、ASIC 和 DSP 的電路板有多種電源軌，范圍從低于 1V 的負(fù)載點(diǎn) (POL) 到 12V 中間總線，因此需要電壓監(jiān)察和以確?？煽俊o(wú)差錯(cuò)的系統(tǒng)運(yùn)行。隨著芯片工藝技術(shù)尺寸變?yōu)閿?shù)十納米，不僅最低的 POL 輸出電壓 (通常為內(nèi)核供電) 趨向低于 1V，而且處理器內(nèi)核的準(zhǔn)確度規(guī)格也變?yōu)楦訃?yán)格的 3% 甚至好于這一數(shù)字。這種準(zhǔn)確度規(guī)格使得對(duì)電源電壓以及監(jiān)視此類電源的電壓監(jiān)察器之容限要求就更加嚴(yán)格。

同時(shí)，電源軌的數(shù)量也已大幅增加，因?yàn)樾枰@些電源軌給 FPGA/µP/ASIC/DSP 內(nèi)核和 I/O、內(nèi)存、PLL 以及其他模擬電路供電，因此有 10 個(gè)甚至更多電壓軌并非不常見(jiàn)。實(shí)際情況也常常是，直到設(shè)計(jì)階段的后期甚至在電路板生產(chǎn)和安裝完以后，才知道準(zhǔn)確的電源電壓值。要優(yōu)化電源電壓以降低電路板功耗，就需要基于每個(gè)電路板的性能，對(duì)電源電壓進(jìn)行定制化微調(diào)以及對(duì)監(jiān)察門(mén)限進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。電壓值也可能隨 FPGA / µP / ASIC / DSP 的更改而變化。傳統(tǒng)上，通過(guò)改變電阻分壓器或設(shè)置跨接線來(lái)改變監(jiān)察器門(mén)限，但是調(diào)節(jié)分辨率受限，而且調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間且易于出錯(cuò)。

為什么電壓監(jiān)察準(zhǔn)確度很重要?

我們來(lái)考慮一個(gè)涉及電壓監(jiān)察器門(mén)限設(shè)定的例子。假設(shè)一個(gè)微處理器規(guī)定其內(nèi)核電源輸入電壓為 (便于四舍五入) 1V ± 3%，這意味著，有效工作范圍為 0.97V 至 1.03V。為了提高可靠性，用一個(gè)外部電壓監(jiān)察器來(lái)監(jiān)視這個(gè)電源，而不是僅依靠µP 的內(nèi)部加電復(fù)位。在理想化世界中，沒(méi)有變化，欠壓監(jiān)察器門(mén)限準(zhǔn)確地設(shè)定為 0.97V，這樣一來(lái)，電源電壓一降至低于 0.97V，就發(fā)出復(fù)位信號(hào)，如圖 1 所示。而現(xiàn)實(shí)情況是，電壓監(jiān)察器是由模擬基準(zhǔn)電壓和比較器組成的，二者都有導(dǎo)致監(jiān)察門(mén)限變化的容限范圍。對(duì)于準(zhǔn)確度為 ±1% 的 0.97V 監(jiān)察器門(mén)限而言，該門(mén)限在 0.96V 至 0.98V 范圍內(nèi)變化。當(dāng)門(mén)限處于低端 (0.96V) 時(shí)，電源可能超過(guò)µP 內(nèi)核的有效電壓范圍，但監(jiān)察器不會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，從而導(dǎo)致µP 工作失常。為了糾正這個(gè)問(wèn)題，標(biāo)稱監(jiān)察器門(mén)限設(shè)定為比有效范圍的 0.97V 這一端高 1%，即 0.98V。這么做的缺點(diǎn)是，電源電壓低于 0.99V 時(shí)，就可能發(fā)出復(fù)位信號(hào)，因?yàn)楸O(jiān)察器門(mén)限較高。因此，電源電壓需要保持在高于 0.99V 或 1V - 1%，也就是監(jiān)察器門(mén)限準(zhǔn)確度侵蝕了電源電壓工作范圍。

圖 1：設(shè)定監(jiān)察器門(mén)限

同樣的分析也適用于過(guò)壓門(mén)限，該門(mén)限標(biāo)稱值設(shè)定為 1.02V，從而將電源電壓范圍的高端限制到 1.01V 或 1V + 1%。因此，±3% 的µP 規(guī)格加上 ±1% 的監(jiān)察器門(mén)限準(zhǔn)確度，產(chǎn)生了 ±1% 的電源容限要求。請(qǐng)注意，±1.5% 的監(jiān)察器門(mén)限準(zhǔn)確度產(chǎn)生不可能的 0% 電源容限。如果不需要過(guò)壓保護(hù)，電源電壓范圍就可以為 0.99V 至 1.03V;在這種情況下，1.01V ± 2% 的電源就適用?？傊跊Q定所需電源的容限和成本時(shí)，監(jiān)察器準(zhǔn)確度起著重要作用。

靈活的監(jiān)察

為了應(yīng)對(duì)引言部分提到的電壓監(jiān)察挑戰(zhàn)，凌力爾特提供了可編程 6 路電源電壓監(jiān)察器 LTC2933 (參見(jiàn)圖 2) 和 LTC2936，這些監(jiān)察器集成了 EEPROM、具 0.2V 至 13.9V 門(mén)限調(diào)節(jié)范圍并通過(guò) I2C/SMBus 數(shù)字接口設(shè)定 8 位 (256 種選擇) 門(mén)限寄存器。這兩款器件在 0.6V 至 5.8V 范圍內(nèi)提供 ±1% 的門(mén)限準(zhǔn)確度，每個(gè)監(jiān)視器的輸入均有兩個(gè)可調(diào)極性門(mén)限。例如，一個(gè)門(mén)限可以配置為欠壓 (UV) 檢測(cè)器，以產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，同時(shí)另一個(gè)門(mén)限既可用于過(guò)壓 (OV) 檢測(cè)，保護(hù)昂貴的電路板電子組件免于損壞，又可作為較高的 UV 門(mén)限，提供電源故障早期警報(bào)，從而為處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份提供寶貴的時(shí)間。通過(guò) I2C/SMBus 接口進(jìn)行門(mén)限調(diào)節(jié)，就可以不用外部電阻分壓器，這既釋放了電路板空間，又消除了電阻器容限引起的準(zhǔn)確度降低問(wèn)題。通過(guò)向配置寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)而不是更改電路板，可以在最后一分鐘快速更改門(mén)限，從而加快了產(chǎn)品上市。易失性存儲(chǔ)器保持故障瞬間狀態(tài)，同時(shí)內(nèi)部 EEPROM 儲(chǔ)存寄存器配置，并備份故障歷史數(shù)據(jù)，從而加速了調(diào)試過(guò)程，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。為了最大限度減少電源噪聲導(dǎo)致令人煩擾的復(fù)位問(wèn)題，監(jiān)察器基于比較器過(guò)驅(qū)動(dòng)對(duì)輸入干擾做出響應(yīng)，如圖 3 所示。

圖 2：具 EEPROM 和 I2C/SMBus 的 LTC2933 可編程 6 路電壓監(jiān)察器

圖 3：LTC2933 響應(yīng)時(shí)間隨 V2 至 V6 監(jiān)視器輸入的過(guò)驅(qū)動(dòng)之變化

兩個(gè)通用輸入 (GPI) 可以配置為手工復(fù)位輸入、UV 或 UV/OV 故障禁止輸入 (例如，在電路板裕度測(cè)試時(shí))，寫(xiě)保護(hù)輸入 (僅 LTC2936) 或輔助比較器輸入。GPI 輔助比較器的 0.5V 固定門(mén)限之準(zhǔn)確度為 ±2%，從而利用外部電阻分壓器，擴(kuò)展為監(jiān)視總共 8 個(gè)電源。3 個(gè)通用輸入 / 輸出 (GPIO) 可以配置為輸入或者復(fù)位、故障或 SMBus 報(bào)警輸出。任何 GPI、GPIO 或 UV/OV 故障輸入都可以轉(zhuǎn)化為任何 GPIO 輸出。GPIO 引腳針對(duì)釋放延遲時(shí)間 (1µs 至 1.64s)、輸出類型 (開(kāi)漏或弱上拉) 和極性 (有效高或低) 是可編程的。無(wú)需軟件編碼就可實(shí)現(xiàn)這種靈活性，因?yàn)閳D 4 所示 LTpowerPlay™ 開(kāi)發(fā)環(huán)境通過(guò)直覺(jué)式圖形界面配置器件。利用位于準(zhǔn)確度為 2% 的 3.3V 線性穩(wěn)壓器輸出和負(fù)電源之間的電阻分壓器，LTC2933 和 LTC2936 還可監(jiān)視負(fù)電源，例如那些給模擬電路供電的電源。

圖 4：通過(guò) LTpowerPlay 軟件圖形界面配置 LTC2933 和 LTC2936

LTC2933 和 LTC2936 之間的差別如表 1 所示。LTC2933 的輸入之一直接監(jiān)視 12V 中間總線，同時(shí)其他 5 個(gè)輸入監(jiān)視 0.2V 至 5.8V電源，門(mén)限可針對(duì)精確設(shè)定的 0.2V 至 1.2V 范圍以 4mV 為步進(jìn)調(diào)節(jié)。LTC2936 將每個(gè)監(jiān)視器的比較器輸出引出至引腳，從而實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)排序應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，順序排在前面的電源達(dá)到有效工作范圍之后，順序排在其后的電源再啟動(dòng)。

表 1：具 EEPROM 的 6 路電壓監(jiān)察器LTC2933 和 LTC2936 之間的差別

結(jié)論

具多個(gè)電源軌的新式數(shù)字電路板給電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)。其中之一是精確監(jiān)視多種電源電壓，以在電源加電或電壓過(guò)低時(shí)使處理器系統(tǒng)復(fù)位，而有些電源電壓的值直到最后一分鐘才能知道。LTC2933 和 LTC2936 直接面對(duì)這些挑戰(zhàn)，利用準(zhǔn)確的可編程門(mén)限，為監(jiān)視和監(jiān)察 6 個(gè)軌提供了簡(jiǎn)便和靈活的解決方案，從而無(wú)需購(gòu)買多種監(jiān)察器器件及保持一定量的庫(kù)存，就可加速產(chǎn)品上市，滿足新式處理器對(duì)準(zhǔn)確度的要求。