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数字电源器件另一端的精度重要吗?

高工
2020-07-04 23:51:20    评分

数字电源器件另一端的精度重要吗?实际上,它要比大部分人所认识到的会重要得多。
  一个错误预算的实例
  让我们用一个实际IC规格,并考虑精度是如何在其中发挥作用的。我们使用一片高端FPGA。FPGA的参数表(如下)确定了保证IC能够正常工作的电源电压。如果电源电压超出了这一范围,器件将不能保证正常工作。
  
  图1:FPGA参数规格
  让我们关注VCC电源轨,它在0.85V标称值上下有±30mV波动。对于0.85V电源轨,误差是±3.5%。
  乍看起来,人们会认为±3% POL能够对此进行处理。不幸的是还有其他一些考虑。
  
  图2:10A POL负载响应
  这幅示波器截屏显示了VCC POL输出端上的一个10A负载脉冲。存在大约8mV的纹波和一个20mV的简短压降。这带来的问题是:这些人为干扰是否必须处于±3.3%的规格范围之内呢?该示波器图中的波形出现在POL的输出端。我们必须要问:负载承受的是什么?
  
  图3:功率分配网络(PDN)原理图
  这张取自DesignCon 2006“功率分配网络设计方法的比较”(Comparison of Power Distribution Network Design Methods)的PDN原理图示出了封装和芯片之中的滤波。PDN、封装去和片内电容可以滤除瞬变的某些高频部分。因此,针对瞬变裕度问题的答案是:要看情况而定。一般来说,只有PDN的封装端将会滤除最高的频率
  纹波是另一回事。纹波的频率较低,而且负载引脚上承受什么样的纹波,芯片就将承受什么样的纹波。于是,出于我们进行分析的考虑,我们将假设纹波消耗了误差裕量的一部分,并且忽略掉瞬变。
  在纹波为8mV的情况下,我们的误差预算仅剩下了±22mV,也就是说准确度大约为±2.5%。不幸的是,我们并未完成所有的工作。我们必须考虑过压(OV)和欠压(UV监控器。如果您回顾一下我之前发表的一篇文章“数字电源监控和遥测”,就会了解到OV/UV监控器是负责设定跳变点并具有DAC的比较器。我们所关心的是欠压和过压准确度。
  监控器的准确度是误差预算的一部分,因为我们希望把UV监控器的准确度设定得高于规格值,而将OV监控器的准确度设定得低于规格值。这是保证电源轨满足 IC电源规格指标的唯一方法。(请注意:虽然我们通常可以给监控器增添某种滤波处理,这样瞬变就不至于使其跳变,但是纹波将始终导致其发生跳变。)
  现在,让我们使用LTC3880监控器的精度,它是±2%。在我们的0.85V电源轨上,则是17mV。现在,我们的裕量只剩下4mV!POL输出电压精度现在必须是0.5%!这可以实现吗?
  LTC3880数据表显示了监控器工作时的输出精度是±0.5%。我们的电源轨满足了规范,而监控器确保它能够正常工作,在之前的文章中我们谈到,如果不满足规范,会选择性地触发和关断,并向基本电路板管理控制器(BMC)发送故障。
  复习一下数学知识
  FPGA规范:30mV
  去掉波纹:22mV
  去掉监控器精度:4mV
  去掉控制环精度:0mV
  有折中方法吗?
  这取决于您所希望的质量水平。如果您从规范中去掉监控器而且依靠控制环,那么所要求的控制环精度是2%,LTC3880提高了4倍。这意味着,它甚至可以支持低于0.85V的电源轨。但是,还有最后一方面我们没有考虑到。当您认为我们已经完成工作了,实际上还有更多的问题需要处理。
  裕度调节是怎么样的情况呢?
  在生产环境中,电源系统运行于(或超过)高规格值和低规格值,以消除系统中的任何边缘性。在我们的设计场合中,这意味着以±3.5%的准确度运行系统。在裕度调节期间,监控器将稍做“让路”,因为此时的目标是确保系统在整个规格范围内拥有可靠性。
  我们要确保在极端情况下能够正常工作,因此,需要通过控制环精度,使电源轨设置能超越极端情况,以保证极端情况甚至超过极端情况的实际值。如果控制环精度是0.5%,那么,我们应该把电源轨设置为±4%。控制环精度如果只有2%(与监控器相似),情况会怎样呢?数值应该是±5.5%。
  没什么大问题,对吗?
  倘若FPGA应用由于较高裕度值的原因而失去定时裕量,那么裕度测试有可能触发代价不菲的故障。您也许需要给设计增加定时裕量以通过裕度测试,而假如您无法容许增加裕量,则或许将导致良率下降。或者,您也可以减小裕度值并降低质量(放过某些缺陷)。无论采取哪一种方法,遭受损失的不是您就是您的客户。如果您为所应为并正确地设定裕度值,则将延缓项目的进展,而且您还将蒙受良率损失并伤害到自己的底线。而假如您在裕度测试中弄虚作假,那么您的客户就会遭遇损失,因为他们的系统将不具备可靠性。因此,控制环路准确度确实是事关紧要。这是一个大问题。
  阅读产品规格
  应谨慎地对待制造商提供的规格指标。每家制造商在规定其准确度时都使用了其特有的结构。控制环路准确度将由多个部分组成:
  1. 电压差动放大器失调和增益
  2. 用于ADC的电压基准
  3. ADC偏移和增益
  4. 外部组件(例如:电阻分压器)所产生的影响
  产品手册有时单独地规定以上指标,或者将其中的一些从规格中省去,抑或根本不直接规定输出的准确度。LTC3880规定了“总误差”,因此实际的准确度是一目了然的。在比较器件时,如果产品手册中未给出总误差指标,则始终必需加以计算。否则,假如您在设计过程的后期(或者更糟,在大批量生产中)遇到问题的话,就有可能要为自己的选择而后悔不已了。
  概要
  我们研究了FPGA规格并进行了误差预算。我们发现了其他的一些误差预算组成部分,包括:纹波、控制环路准确度、监控器准确度和裕度准确度。直接对比 FPGA的规格和POL的性能指标并不能反映全面的情况。POL的准确度必须大大高于FPGA产品手册给出的规格值,以保证器件的运作处于规格范围之内,并保证两者在整个规格范围内的可靠性,同时在生产中保持高良率。




关键词: 数字     电源     准确度     监控器    

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