提高系統(tǒng)可靠性的電壓管理器選

電壓管理器是一種集成電路，在低電壓的情況下它可以用來(lái)對(duì)處理器進(jìn)行復(fù)位，避免處理器錯(cuò)誤操作以確保系統(tǒng)安全掉電。本文介紹了電壓管理器概念以及電壓管理器的重要性能，并以ispPAC-POWR1208P1為例探討電源電壓的監(jiān)測(cè)電路的應(yīng)用。

隨著亞微米技術(shù)的應(yīng)用，先進(jìn)的集成電路，例如那些在通信產(chǎn)品中所用到的處理器在增強(qiáng)性能和功能的同時(shí)，還降低了功耗。這也導(dǎo)致了器件內(nèi)核電壓的降低，然而器件之間相互連接的標(biāo)準(zhǔn)需要不同種類的I/O電壓，使得需要給這些器件提供多種電源電壓。在一個(gè)典型的處理器數(shù)據(jù)手冊(cè)中，除了定義1.2V的內(nèi)核電壓、2.5V和3.3V的I/O電壓以外，同時(shí)也定義了允許的電壓變化范圍。例如，1.2V的范圍是±3%、2.5V和3.3V的范圍是±5%。只要電源電壓的波動(dòng)在其允許的范圍之內(nèi)，處理器就會(huì)正常工作。如果器件的內(nèi)核電壓降到一定的門限以下，處理器開始錯(cuò)誤理解指令。如果I/O接口的電壓降到信號(hào)規(guī)格以下，在處理器和存儲(chǔ)器之間傳送的數(shù)據(jù)就會(huì)變得模糊，致使處理器誤讀指令，由此引起錯(cuò)誤的指令。

圖1：?jiǎn)坞娫措妷汗芾砥麟娐贰?/i>

由于錯(cuò)誤的指令，就會(huì)導(dǎo)致處理器不可預(yù)知的行為。在某些時(shí)候，處理器可能重寫電路板上的閃存存儲(chǔ)器，從而引起整個(gè)電路板不能正常工作。在電源電壓低于門限的條件下，板上的ASIC/FPGA都可能產(chǎn)生不可預(yù)知的行為。例如，對(duì)用于網(wǎng)絡(luò)處理的ASIC，當(dāng)電源電壓低于門限時(shí)，它可能發(fā)出一些混亂的數(shù)據(jù)包，或者遺失一些內(nèi)部緩存的數(shù)據(jù)包，因此引起錯(cuò)誤的信息。電壓管理器就是用于防止這種不可預(yù)知的行為。

電壓管理器的概念

電壓管理器是一種集成電路，在低電壓的情況下它可以用來(lái)對(duì)處理器進(jìn)行復(fù)位，避免處理器錯(cuò)誤操作。在某些情況下，電壓管理器可以中斷處理器當(dāng)前的指令操作流程，給處理器提供早期的告警信息，以確保系統(tǒng)安全掉電。

一個(gè)典型的電壓管理器(如圖1所示)包括一個(gè)電壓比較器、能隙(band-gap)參考電壓源和用于設(shè)置監(jiān)測(cè)電壓閾值的電壓衰減器。比較器的輸出可以用于中斷處理器的操作或者對(duì)其復(fù)位。

如圖2所示，這是一個(gè)用于多電源電壓監(jiān)測(cè)的器件結(jié)構(gòu)。這類器件包含多個(gè)比較器，這些比較器擁有各自獨(dú)立的衰減器，以此來(lái)完成對(duì)不同電源電壓的監(jiān)測(cè)。其比較器的輸出經(jīng)邏輯組合提供一個(gè)單一的輸出信號(hào)去中斷或者復(fù)位處理器。

電壓管理器的精確性

如圖1所示的電路，這是一個(gè)假設(shè)的理想框圖，其中包括能隙電壓參考源(輸出電壓為1.25V)，衰減器(當(dāng)輸入電壓為3.135V時(shí)，其輸出為準(zhǔn)確的1.25V)和理想的比較器(所謂理想的比較器，是指該比較器沒(méi)有任何偏移，無(wú)窮大的增益，零傳播延遲，當(dāng)受監(jiān)測(cè)的電壓為3.135V時(shí)，比較器總是準(zhǔn)確地翻轉(zhuǎn)。)

圖2：三種電源電壓監(jiān)測(cè)電路。

在現(xiàn)實(shí)中，能隙參考電壓隨溫度變化而改變，衰減器的輸出電壓隨器件不同而不同，這樣會(huì)造成比較器的不準(zhǔn)確。累計(jì)起來(lái)，在整個(gè)工作溫度范圍和電壓范圍內(nèi)這些變化因素會(huì)使比較器的閾值發(fā)生變化。管理器的準(zhǔn)確性指標(biāo)就是對(duì)不同器件在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)實(shí)際電壓閾值門限的度量。

圖3為表示電壓管理器精度的示意圖。以圖1所示的單電源電壓管理器為例，電源電壓出錯(cuò)門限設(shè)置在3.3V-5%(3.135V)。如果電源電壓管理器的精度為2%，在其范圍以外3.135-2%(3.072V)或3.135+2%(3.2V)的任何地方都可以指示出電源錯(cuò)誤。如圖3中的A和B所示。

如果電源電壓在3.2V時(shí)，出現(xiàn)電源錯(cuò)誤標(biāo)示，即意味著應(yīng)該阻止處理器操作，盡管此時(shí)處理器在這種情況下或許能正常地的工作。更嚴(yán)重的情況是當(dāng)電源電壓降到3.07V時(shí)，處理器在低于指定的最低的門限電壓下工作，極有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的操作。使采用電源管理器監(jiān)控電源電壓的目的毫無(wú)用處。

補(bǔ)償電壓管理器的精確性

由于電壓管理器的不準(zhǔn)確，可能使處理器工作在不希望的低電壓情況下。為了避免這種情況的發(fā)生，電壓管理器的閾值門限必須仔細(xì)選擇，使得電源出錯(cuò)監(jiān)測(cè)范圍落在處理器正常工作的電源范圍以內(nèi)。如圖4所示，如果將電壓管理器的閾值電壓設(shè)置在3.2V，判斷電源出錯(cuò)的范圍電壓從3.14V到3.26V，這樣就可以避免處理器工作在低于門限電壓(3.3V-5%)。

圖3：精度為2%的管理器故障檢測(cè)。

在圖4中，電壓管理器的門限設(shè)置為3.2V，其計(jì)算公式如下：