面向多轨数字电路板的精确和灵活之电源电压监察

引言

具 FPGA、微处理器 (µP)、ASIC 和 DSP 的电路板有多种电源轨，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电源电压以及监视此类电源的电压监察器之容限要求就更加严格。

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/µP/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 / µP / 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。

为什么电压监察准确度很重要?

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µP 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µP 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µP 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。

图 1：设定监察器门限

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µP 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。

灵活的监察

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 2：具 EEPROM 和 I2C/SMBus 的 LTC2933 可编程 6 路电压监察器

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 (1µs 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。

图 4：通过 LTpowerPlay 软件图形界面配置 LTC2933 和 LTC2936

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，同时其他 5 个输入监视 0.2V 至 5.8V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。

表 1：具 EEPROM 的 6 路电压监察器LTC2933 和 LTC2936 之间的差别

结论

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。