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面向多轨数字电路板的精确和灵活之电源电压监察

发布时间:2019-05-18 13:47 来源:未知 编辑:admin

  具 FPGA、微处理器 (P)、ASIC 和 DSP 的电路板有多种轨,范围从低于 1V 的负载点 (POL) 到 12V 中间总线,因此需要电压监察和以确保可靠、无差错的系统运行。随着芯片工艺技术尺寸变为数十纳米,不仅最低的 POL 输出电压 (通常为内核供电) 趋向低于 1V,而且处理器内核的准确度规格也变为更加严格的 3% 甚至好于这一数字。这种准确度规格使得对

  同时,电源轨的数量也已大幅增加,因为需要这些电源轨给 FPGA/P/ASIC/DSP 内核和 I/O、内存、PLL 以及其他模拟电路供电,因此有 10 个甚至更多电压轨并非不常见。实际情况也常常是,直到设计阶段的后期甚至在电路板生产和安装完以后,才知道准确的电源电压值。要优化电源电压以降低电路板功耗,就需要基于每个电路板的性能,对电源电压进行定制化微调以及对监察门限进行相应调节。电压值也可能随 FPGA / P / ASIC / DSP 的更改而变化。传统上,通过改变电阻分压器或设置跨接线来改变监察器门限,但是调节分辨率受限,而且调节过程缓慢复杂、耗费时间且易于出错。

  我们来考虑一个涉及电压监察器门限设定的例子。假设一个微处理器规定其内核电源输入电压为 (便于四舍五入) 1V 3%,这意味着,有效工作范围为 0.97V 至 1.03V。为了提高可靠性,用一个外部电压监察器来监视这个电源,而不是仅依靠P 的内部加电复位。在理想化世界中,没有变化,欠压监察器门限准确地设定为 0.97V,这样一来,电源电压一降至低于 0.97V,就发出复位信号,如图 1 所示。而现实情况是,电压监察器是由模拟基准电压和比较器组成的,二者都有导致监察门限变化的容限范围。对于准确度为 1% 的 0.97V 监察器门限而言,该门限在 0.96V 至 0.98V 范围内变化。当门限处于低端 (0.96V) 时,电源可能超过P 内核的有效电压范围,但监察器不会发出复位信号,从而导致P 工作失常。为了纠正这个问题,标称监察器门限设定为比有效范围的 0.97V 这一端高 1%,即 0.98V。这么做的缺点是,电源电压低于 0.99V 时,就可能发出复位信号,因为监察器门限较高。因此,电源电压需要保持在高于 0.99V 或 1V - 1%,也就是监察器门限准确度侵蚀了电源电压工作范围。

  同样的分析也适用于过压门限,该门限标称值设定为 1.02V,从而将电源电压范围的高端限制到 1.01V 或 1V + 1%。因此,3% 的P 规格加上 1% 的监察器门限准确度,产生了 1% 的电源容限要求。请注意,1.5% 的监察器门限准确度产生不可能的 0% 电源容限。如果不需要过压保护,电源电压范围就可以为 0.99V 至 1.03V;在这种情况下,1.01V 2% 的电源就适用。总之,在决定所需电源的容限和成本时,监察器准确度起着重要作用。

  为了应对引言部分提到的电压监察挑战,凌力尔特提供了可编程 6 路电源电压监察器 LTC2933 (参见图 2) 和 LTC2936,这些监察器集成了 EEPROM、具 0.2V 至 13.9V 门限调节范围并通过 I2C/SMBus 数字接口设定 8 位 (256 种选择) 门限寄存器。这两款器件在 0.6V 至 5.8V 范围内提供 1% 的门限准确度,每个监视器的输入均有两个可调极性门限。例如,一个门限可以配置为欠压 (UV) 检测器,以产生复位信号,同时另一个门限既可用于过压 (OV) 检测,保护昂贵的电路板电子组件免于损坏,又可作为较高的 UV 门限,提供电源故障早期警报,从而为处理器进行数据备份提供宝贵的时间。通过 I2C/SMBus 接口进行门限调节,就可以不用外部电阻分压器,这既释放了电路板空间,又消除了电阻器容限引起的准确度降低问题。通过向配置寄存器写入数据而不是更改电路板,可以在最后一分钟快速更改门限,从而加快了产品上市。易失性存储器保持故障瞬间状态,同时内部 EEPROM 储存寄存器配置,并备份故障历史数据,从而加速了调试过程,节省了开发时间。为了最大限度减少电源噪声导致令人烦扰的复位问题,监察器基于比较器过驱动对输入干扰做出响应,如图 3 所示。

  图 3:LTC2933 响应时间随 V2 至 V6 监视器输入的过驱动之变化

  两个通用输入 (GPI) 可以配置为手工复位输入、UV 或 UV/OV 故障禁止输入 (例如,在电路板裕度测试时),写保护输入 (仅 LTC2936) 或辅助比较器输入。GPI 辅助比较器的 0.5V 固定门限之准确度为 2%,从而利用外部电阻分压器,扩展为监视总共 8 个电源。3 个通用输入 / 输出 (GPIO) 可以配置为输入或者复位、故障或 SMBus 报警输出。任何 GPI、GPIO 或 UV/OV 故障输入都可以转化为任何 GPIO 输出。GPIO 引脚针对释放延迟时间 (1s 至 1.64s)、输出类型 (开漏或弱上拉) 和极性 (有效高或低) 是可编程的。无需软件编码就可实现这种灵活性,因为图 4 所示 LTpowerPlay 开发环境通过直觉式图形界面配置器件。利用位于准确度为 2% 的 3.3V 线性稳压器输出和负电源之间的电阻分压器,LTC2933 和 LTC2936 还可监视负电源,例如那些给模拟电路供电的电源。

  LTC2933 和 LTC2936 之间的差别如表 1 所示。LTC2933 的输入之一直接监视 12V 中间总线V电源,门限可针对精确设定的 0.2V 至 1.2V 范围以 4mV 为步进调节。LTC2936 将每个监视器的比较器输出引出至引脚,从而实现级联排序应用,在这类应用中,顺序排在前面的电源达到有效工作范围之后,顺序排在其后的电源再启动。

  具多个电源轨的新式数字电路板给电源系统设计师带来了很多挑战。其中之一是精确监视多种电源电压,以在电源加电或电压过低时使处理器系统复位,而有些电源电压的值直到最后一分钟才能知道。LTC2933 和 LTC2936 直接面对这些挑战,利用准确的可编程门限,为监视和监察 6 个轨提供了简便和灵活的解决方案,从而无需购买多种监察器器件及保持一定量的库存,就可加速产品上市,满足新式处理器对准确度的要求。

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