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，因此需要電壓監察和以確保可靠、無差錯的系統運行。隨著芯片工藝技術尺寸變為數十納米，不僅最低的 POL 輸出電壓 (通常為內核供電) 趨向低于 1V，而且處理器內核的準確度規格也變為更加嚴格的 3% 甚至好于這一數字。這種準確度規格使得對電源電壓以及監視此類電源的電壓監察器之容限要求就更加嚴格。

同時，電源軌的數量也已大幅增加，因為需要這些電源軌給 FPGA/µP/ASIC/DSP 內核和 I/O、內存、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，直到設計階段的后期甚至在電路板生產和安裝完以后，才知道準確的電源電壓值。要優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以及對監察門限進行相應調節。電壓值也可能隨 FPGA / µP / ASIC / DSP 的更改而變化。傳統上，通過改變電阻分壓器或設置跨接線來改變監察器門限，但是調節分辨率受限，而且調節過程緩慢復雜、耗費時間且易于出錯。

為什么電壓監察準確度很重要?

我們來考慮一個涉及電壓監察器門限設定的例子。假設一個微處理器規定其內核電源輸入電壓為 (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，用一個外部電壓監察器來監視這個電源，而不是僅依靠µP 的內部加電復位。在理想化世界中，沒有變化，欠壓監察器門限準確地設定為 0.97V，這樣一來，電源電壓一降至低于 0.97V，就發出復位信號，如圖 1 所示。而現實情況是，電壓監察器是由模擬基準電壓和比較器組成的，二者都有導致監察門限變化的容限范圍。對于準確度為 ±1% 的 0.97V 監察器門限而言，該門限在 0.96V 至 0.98V 范圍內變化。當門限處于低端 (0.96V) 時，電源可能超過µP 內核的有效電壓范圍，但監察器不會發出復位信號，從而導致µP 工作失常。為了糾正這個問題，標稱監察器門限設定為比有效范圍的 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，就可能發出復位信號，因為監察器門限較高。因此，電源電壓需要保持在高于 0.99V 或 1V - 1%，也就是監察器門限準確度侵蝕了電源電壓工作范圍。

圖 1：設定監察器門限

同樣的分析也適用于過壓門限，該門限標稱值設定為 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 規格加上 ±1% 的監察器門限準確度，產生了 ±1% 的電源容限要求。請注意，±1.5% 的監察器門限準確度產生不可能的 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。總之，在決定所需電源的容限和成本時，監察器準確度起著重要作用。

靈活的監察

為了應對引言部分提到的電壓監察挑戰，凌力爾特提供了可編程 6 路電源電壓監察器 LTC2933 (參見圖 2) 和 LTC2936，這些監察器集成了 EEPROM、具 0.2V 至 13.9V 門限調節范圍并通過 I2C/SMBus 數字接口設定 8 位 (256 種選擇) 門限寄存器。這兩款器件在 0.6V 至 5.8V 范圍內提供 ±1% 的門限準確度，每個監視器的輸入均有兩個可調極性門限。例如，一個門限可以配置為欠壓 (UV) 檢測器，以產生復位信號，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據備份提供寶貴的時間。通過 I2C/SMBus 接口進行門限調節，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據而不是更改電路板，可以在最后一分鐘快速更改門限，從而加快了產品上市。易失性存儲器保持故障瞬間狀態，同時內部 EEPROM 儲存寄存器配置，并備份故障歷史數據，從而加速了調試過程，節省了開發時間。為了最大限度減少電源噪聲導致令人煩擾的復位問題，監察器基于比較器過驅動對輸入干擾做出響應，如圖 3 所示。

圖 2：具 EEPROM 和 I2C/SMBus 的 LTC2933 可編程 6 路電壓監察器

圖 3：LTC2933 響應時間隨 V2 至 V6 監視器輸入的過驅動之變化

兩個通用輸入 (GPI) 可以配置為手工復位輸入、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位、故障或 SMBus 報警輸出。任何 GPI、GPIO 或 UV/OV 故障輸入都可以轉化為任何 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這種靈活性，因為圖 4 所示 LTpowerPlay™ 開發環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 線性穩壓器輸出和負電源之間的電阻分壓器，LTC2933 和 LTC2936 還可監視負電源，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 的輸入之一直接監視 12V 中間總線，同時其他 5 個輸入監視 0.2V 至 5.8V電源，門限可針對精確設定的 0.2V 至 1.2V 范圍以 4mV 為步進調節。LTC2936 將每個監視器的比較器輸出引出至引腳，從而實現級聯排序應用，在這類應用中，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 路電壓監察器LTC2933 和 LTC2936 之間的差別

結論

具多個電源軌的新式數字電路板給電源系統設計師帶來了很多挑戰。其中之一是精確監視多種電源電壓，以在電源加電或電壓過低時使處理器系統復位，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，利用準確的可編程門限，為監視和監察 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察器器件及保持一定量的庫存，就可加速產品上市，滿足新式處理器對準確度的要求。