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 的負載點 (POL) 到 12V 中間總線，因此需要電壓監(jiān)察和以確?？煽俊o差錯的系統(tǒng)運行。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)核的準確度規(guī)格也變?yōu)楦訃栏竦?3% 甚至好于這一數(shù)字。這種準確度規(guī)格使得對電源電壓以及監(jiān)視此類電源的電壓監(jiān)察器之容限要求就更加嚴格。

同時，電源軌的數(shù)量也已大幅增加，因為需要這些電源軌給 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 個甚至更多電壓軌并非不常見。實際情況也常常是，直到設(shè)計階段的后期甚至在電路板生產(chǎn)和安裝完以后，才知道準確的電源電壓值。要優(yōu)化電源電壓以降低電路板功耗，就需要基于每個電路板的性能，對電源電壓進行定制化微調(diào)以及對監(jiān)察門限進行相應(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，通過改變電阻分壓器或設(shè)置跨接線來改變監(jiān)察器門限，但是調(diào)節(jié)分辨率受限，而且調(diào)節(jié)過程緩慢復(fù)雜、耗費時間且易于出錯。

為什么電壓監(jiān)察準確度很重要?

我們來考慮一個涉及電壓監(jiān)察器門限設(shè)定的例子。假設(shè)一個微處理器規(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，用一個外部電壓監(jiān)察器來監(jiān)視這個電源，而不是僅依靠µP 的內(nèi)部加電復(fù)位。在理想化世界中，沒有變化，欠壓監(jiān)察器門限準確地設(shè)定為 0.97V，這樣一來，電源電壓一降至低于 0.97V，就發(fā)出復(fù)位信號，如圖 1 所示。而現(xiàn)實情況是，電壓監(jiān)察器是由模擬基準電壓和比較器組成的，二者都有導(dǎo)致監(jiān)察門限變化的容限范圍。對于準確度為 ±1% 的 0.97V 監(jiān)察器門限而言，該門限在 0.96V 至 0.98V 范圍內(nèi)變化。當門限處于低端 (0.96V) 時，電源可能超過µP 內(nèi)核的有效電壓范圍，但監(jiān)察器不會發(fā)出復(fù)位信號，從而導(dǎo)致µP 工作失常。為了糾正這個問題，標稱監(jiān)察器門限設(shè)定為比有效范圍的 0.97V 這一端高 1%，即 0.98V。這么做的缺點是，電源電壓低于 0.99V 時，就可能發(fā)出復(fù)位信號，因為監(jiān)察器門限較高。因此，電源電壓需要保持在高于 0.99V 或 1V - 1%，也就是監(jiān)察器門限準確度侵蝕了電源電壓工作范圍。

圖 1：設(shè)定監(jiān)察器門限

同樣的分析也適用于過壓門限，該門限標稱值設(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)察器門限準確度，產(chǎn)生了 ±1% 的電源容限要求。請注意，±1.5% 的監(jiān)察器門限準確度產(chǎn)生不可能的 0% 電源容限。如果不需要過壓保護，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，監(jiān)察器準確度起著重要作用。

靈活的監(jiān)察

為了應(yīng)對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 (參見圖 2) 和 LTC2936，這些監(jiān)察器集成了 EEPROM、具 0.2V 至 13.9V 門限調(diào)節(jié)范圍并通過 I2C/SMBus 數(shù)字接口設(shè)定 8 位 (256 種選擇) 門限寄存器。這兩款器件在 0.6V 至 5.8V 范圍內(nèi)提供 ±1% 的門限準確度，每個監(jiān)視器的輸入均有兩個可調(diào)極性門限。例如，一個門限可以配置為欠壓 (UV) 檢測器，以產(chǎn)生復(fù)位信號，同時另一個門限既可用于過壓 (OV) 檢測，保護昂貴的電路板電子組件免于損壞，又可作為較高的 UV 門限，提供電源故障早期警報，從而為處理器進行數(shù)據(jù)備份提供寶貴的時間。通過 I2C/SMBus 接口進行門限調(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確度降低問題。通過向配置寄存器寫入數(shù)據(jù)而不是更改電路板，可以在最后一分鐘快速更改門限，從而加快了產(chǎn)品上市。易失性存儲器保持故障瞬間狀態(tài)，同時內(nèi)部 EEPROM 儲存寄存器配置，并備份故障歷史數(shù)據(jù)，從而加速了調(diào)試過程，節(jié)省了開發(fā)時間。為了最大限度減少電源噪聲導(dǎo)致令人煩擾的復(fù)位問題，監(jiān)察器基于比較器過驅(qū)動對輸入干擾做出響應(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)時間隨 V2 至 V6 監(jiān)視器輸入的過驅(qū)動之變化

兩個通用輸入 (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，在電路板裕度測試時)，寫保護輸入 (僅 LTC2936) 或輔助比較器輸入。GPI 輔助比較器的 0.5V 固定門限之準確度為 ±2%，從而利用外部電阻分壓器，擴展為監(jiān)視總共 8 個電源。3 個通用輸入 / 輸出 (GPIO) 可以配置為輸入或者復(fù)位、故障或 SMBus 報警輸出。任何 GPI、GPIO 或 UV/OV 故障輸入都可以轉(zhuǎn)化為任何 GPIO 輸出。GPIO 引腳針對釋放延遲時間 (1µs 至 1.64s)、輸出類型 (開漏或弱上拉) 和極性 (有效高或低) 是可編程的。無需軟件編碼就可實現(xiàn)這種靈活性，因為圖 4 所示 LTpowerPlay™ 開發(fā)環(huán)境通過直覺式圖形界面配置器件。利用位于準確度為 2% 的 3.3V 線性穩(wěn)壓器輸出和負電源之間的電阻分壓器，LTC2933 和 LTC2936 還可監(jiān)視負電源，例如那些給模擬電路供電的電源。

圖 4：通過 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，同時其他 5 個輸入監(jiān)視 0.2V 至 5.8V電源，門限可針對精確設(shè)定的 0.2V 至 1.2V 范圍以 4mV 為步進調(diào)節(jié)。LTC2936 將每個監(jiān)視器的比較器輸出引出至引腳，從而實現(xiàn)級聯(lián)排序應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，順序排在前面的電源達到有效工作范圍之后，順序排在其后的電源再啟動。

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

結(jié)論

具多個電源軌的新式數(shù)字電路板給電源系統(tǒng)設(shè)計師帶來了很多挑戰(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低時使處理器系統(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 直接面對這些挑戰(zhàn)，利用準確的可編程門限，為監(jiān)視和監(jiān)察 6 個軌提供了簡便和靈活的解決方案，從而無需購買多種監(jiān)察器器件及保持一定量的庫存，就可加速產(chǎn)品上市，滿足新式處理器對準確度的要求。