數(shù)字電源:為什么要重視精度?
這張取自DesignCon 2006“功率分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法的比較”(Comparison of Power Distribution Network Design Methods)的PDN原理圖示出了封裝和芯片之中的濾波。PDN、封裝去耦和片內(nèi)電容可以濾除瞬變的某些高頻部分。因此,針對(duì)瞬變?cè)6葐?wèn)題的答案是:要看情況而定。一般來(lái)說(shuō),只有PDN的封裝端將會(huì)濾除最高的頻率。
紋波是另一回事。紋波的頻率較低,而且負(fù)載引腳上承受什么樣的紋波,芯片就將承受什么樣的紋波。于是,出于我們進(jìn)行分析的考慮,我們將假設(shè)紋波消耗了誤差裕量的一部分,并且忽略掉瞬變。
在紋波為8mV的情況下,我們的誤差預(yù)算僅剩下了±22mV,也就是說(shuō)準(zhǔn)確度大約為±2.5%。不幸的是,我們并未完成所有的工作。我們必須考慮過(guò)壓(OV)和欠壓(UV)監(jiān)控器。如果您回顧一下我之前發(fā)表的一篇文章“數(shù)字電源監(jiān)控和遙測(cè)”,就會(huì)了解到OV/UV監(jiān)控器是負(fù)責(zé)設(shè)定跳變點(diǎn)并具有DAC的比較器。我們所關(guān)心的是欠壓和過(guò)壓準(zhǔn)確度。
監(jiān)控器的準(zhǔn)確度是誤差預(yù)算的一部分,因?yàn)槲覀兿M裊V監(jiān)控器的準(zhǔn)確度設(shè)定得高于規(guī)格值,而將OV監(jiān)控器的準(zhǔn)確度設(shè)定得低于規(guī)格值。這是保證電源軌滿足IC電源規(guī)格指標(biāo)的唯一方法。(請(qǐng)注意:雖然我們通??梢越o監(jiān)控器增添某種濾波處理,這樣瞬變就不至于使其跳變,但是紋波將始終導(dǎo)致其發(fā)生跳變。)
現(xiàn)在,讓我們使用LTC3880監(jiān)控器的精度,它是±2%。在我們的0.85V電源軌上,則是17mV?,F(xiàn)在,我們的裕量只剩下4mV!POL輸出電壓精度現(xiàn)在必須是0.5%!這可以實(shí)現(xiàn)嗎?
LTC3880數(shù)據(jù)表顯示了監(jiān)控器工作時(shí)的輸出精度是±0.5%。我們的電源軌滿足了規(guī)范,而監(jiān)控器確保它能夠正常工作,在之前的文章中我們談到,如果不滿足規(guī)范,會(huì)選擇性地觸發(fā)和關(guān)斷,并向基本電路板管理控制器(BMC)發(fā)送故障。
復(fù)習(xí)一下數(shù)學(xué)知識(shí)
FPGA規(guī)范:30mV
去掉波紋:22mV
去掉監(jiān)控器精度:4mV
去掉控制環(huán)精度:0mV
有折中方法嗎?
這取決于您所希望的質(zhì)量水平。如果您從規(guī)范中去掉監(jiān)控器而且依靠控制環(huán),那么所要求的控制環(huán)精度是2%,LTC3880提高了4倍。這意味著,它甚至可以支持低于0.85V的電源軌。但是,還有最后一方面我們沒(méi)有考慮到。當(dāng)您認(rèn)為我們已經(jīng)完成工作了,實(shí)際上還有更多的問(wèn)題需要處理。
裕度調(diào)節(jié)是怎么樣的情況呢?
在生產(chǎn)環(huán)境中,電源系統(tǒng)運(yùn)行于(或超過(guò))高規(guī)格值和低規(guī)格值,以消除系統(tǒng)中的任何邊緣性。在我們的設(shè)計(jì)場(chǎng)合中,這意味著以±3.5%的準(zhǔn)確度運(yùn)行系統(tǒng)。在裕度調(diào)節(jié)期間,監(jiān)控器將稍做“讓路”,因?yàn)榇藭r(shí)的目標(biāo)是確保系統(tǒng)在整個(gè)規(guī)格范圍內(nèi)擁有可靠性。
我們要確保在極端情況下能夠正常工作,因此,需要通過(guò)控制環(huán)精度,使電源軌設(shè)置能超越極端情況,以保證極端情況甚至超過(guò)極端情況的實(shí)際值。如果控制環(huán)精度是0.5%,那么,我們應(yīng)該把電源軌設(shè)置為±4%??刂骗h(huán)精度如果只有2%(與監(jiān)控器相似),情況會(huì)怎樣呢?數(shù)值應(yīng)該是±5.5%。
沒(méi)什么大問(wèn)題,對(duì)嗎?
倘若FPGA應(yīng)用由于較高裕度值的原因而失去定時(shí)裕量,那么裕度測(cè)試有可能觸發(fā)代價(jià)不菲的故障。您也許需要給設(shè)計(jì)增加定時(shí)裕量以通過(guò)裕度測(cè)試,而假如您無(wú)法容許增加裕量,則或許將導(dǎo)致良率下降?;蛘?,您也可以減小裕度值并降低質(zhì)量(放過(guò)某些缺陷)。無(wú)論采取哪一種方法,遭受損失的不是您就是您的客戶。如果您為所應(yīng)為并正確地設(shè)定裕度值,則將延緩項(xiàng)目的進(jìn)展,而且您還將蒙受良率損失并傷害到自己的底線。而假如您在裕度測(cè)試中弄虛作假,那么您的客戶就會(huì)遭遇損失,因?yàn)樗麄兊南到y(tǒng)將不具備可靠性。因此,控制環(huán)路準(zhǔn)確度確實(shí)是事關(guān)緊要。這是一個(gè)大問(wèn)題。
閱讀產(chǎn)品規(guī)格
應(yīng)謹(jǐn)慎地對(duì)待制造商提供的規(guī)格指標(biāo)。每家制造商在規(guī)定其準(zhǔn)確度時(shí)都使用了其特有的結(jié)構(gòu)??刂骗h(huán)路準(zhǔn)確度將由多個(gè)部分組成:
1. 電壓差動(dòng)放大器失調(diào)和增益
2. 用于ADC的電壓基準(zhǔn)
3. ADC偏移和增益
4. 外部組件(例如:電阻分壓器)所產(chǎn)生的影響
產(chǎn)品手冊(cè)有時(shí)單獨(dú)地規(guī)定以上指標(biāo),或者將其中的一些從規(guī)格中省去,抑或根本不直接規(guī)定輸出的準(zhǔn)確度。LTC3880規(guī)定了“總誤差”,因此實(shí)際的準(zhǔn)確度是一目了然的。在比較器件時(shí),如果產(chǎn)品手冊(cè)中未給出總誤差指標(biāo),則始終必需加以計(jì)算。否則,假如您在設(shè)計(jì)過(guò)程的后期(或者更糟,在大批量生產(chǎn)中)遇到問(wèn)題的話,就有可能要為自己的選擇而后悔不已了。
概要
我們研究了FPGA規(guī)格并進(jìn)行了誤差預(yù)算。我們發(fā)現(xiàn)了其他的一些誤差預(yù)算組成部分,包括:紋波、控制環(huán)路準(zhǔn)確度、監(jiān)控器準(zhǔn)確度和裕度準(zhǔn)確度。直接對(duì)比FPGA的規(guī)格和POL的性能指標(biāo)并不能反映全面的情況。POL的準(zhǔn)確度必須大大高于FPGA產(chǎn)品手冊(cè)給出的規(guī)格值,以保證器件的運(yùn)作處于規(guī)格范圍之內(nèi),并保證兩者在整個(gè)規(guī)格范圍內(nèi)的可靠性,同時(shí)在生產(chǎn)中保持高良率。
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