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，因此要電壓監(jiān)察和以確?？煽?、無差錯(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)量也已大幅新增，因?yàn)橐@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。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，才了解準(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(fèi)時(shí)間且易于出錯(cuò)。

為何電壓監(jiān)察準(zhǔn)確度很重要?

我們來考慮一個(gè)涉及電壓監(jiān)察器門限設(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，沒有變化，欠壓監(jiān)察器門限準(zhǔn)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(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)察門限變化的容限范圍。關(guān)于準(zhǔn)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(dāng)門限處于低端(0.96V)時(shí)，電源可能超過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)問題，標(biāo)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(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)察器門限較高。因此，電源電壓要保持在高于0.99V或1V-1%，也就是監(jiān)察器門限準(zhǔn)確度侵蝕了電源電壓工作范圍。

圖1：設(shè)定監(jiān)察器門限

同樣的分析也適用于過壓門限，該門限標(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)察器門限準(zhǔn)確度，出現(xiàn)了±1%的電源容限要求。請(qǐng)注意，±1.5%的監(jiān)察器門限準(zhǔn)確度出現(xiàn)不可能的0%電源容限。假如不要過壓保護(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)確度起著重要用途。

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)，凌力爾特供應(yīng)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)供應(yīng)±1%的門限準(zhǔn)確度，每個(gè)監(jiān)視器的輸入均有兩個(gè)可調(diào)極性門限。例如，一個(gè)門限可以配置為欠壓(UV)檢測(cè)器，以出現(xiàn)復(fù)位信號(hào)，同時(shí)另一個(gè)門限既可用于過壓(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門限，供應(yīng)電源故障早期警報(bào)，從而為處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份供應(yīng)寶貴的時(shí)間。通過I2C/SMBus接口進(jìn)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(zhǔn)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(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)試過程，節(jié)省了開發(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)位問題，監(jiān)察器基于比較器過驅(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(shí)現(xiàn)這種靈活性，因?yàn)閳D4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(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(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了解。LTC2933和LTC2936直接面對(duì)這些挑戰(zhàn)，利用準(zhǔn)確的可編程門限，為監(jiān)視和監(jiān)察6個(gè)軌供應(yīng)了簡(jiǎn)便和靈活的解決方法，從而無需購(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。