[數(shù)字電源系列文章]數(shù)字電源:為什么要重視精度?
一個錯誤預算的實例
讓我們用一個實際IC規(guī)格,并考慮精度是如何在其中發(fā)揮作用的。我們使用一片高端FPGA。FPGA的參數(shù)表(如下)確定了保證IC能夠正常工作的電源電壓。如果電源電壓超出了這一范圍,器件將不能保證正常工作。
圖1:FPGA參數(shù)規(guī)格
讓我們關注VCC電源軌,它在0.85V標稱值上下有±30mV波動。對于0.85V電源軌,誤差是±3.5%。
乍看起來,人們會認為±3% POL能夠對此進行處理。不幸的是還有其他一些考慮。
圖2:10A POL負載響應
這幅示波器截屏顯示了VCC POL輸出端上的一個10A負載脈沖。存在大約8mV的紋波和一個20mV的簡短壓降。這帶來的問題是:這些人為干擾是否必須處于±3.3%的規(guī)格范圍之內呢?該示波器圖中的波形出現(xiàn)在POL的輸出端。我們必須要問:負載承受的是什么?
圖3:功率分配網(wǎng)絡(PDN)原理圖
這張取自DesignCon 2006“功率分配網(wǎng)絡設計方法的比較”(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、封裝去耦和片內電容可以濾除瞬變的某些高頻部分。因此,針對瞬變裕度問題的答案是:要看情況而定。一般來說,只有PDN的封裝端將會濾除最高的頻率。
紋波是另一回事。紋波的頻率較低,而且負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,出于我們進行分析的考慮,我們將假設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,我們的誤差預算僅剩下了±22mV,也就是說準確度大約為±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”,就會了解到OV/UV監(jiān)控器是負責設定跳變點并具有DAC的比較器。我們所關心的是欠壓和過壓準確度。
監(jiān)控器的準確度是誤差預算的一部分,因為我們希望把UV監(jiān)控器的準確度設定得高于規(guī)格值,而將OV監(jiān)控器的準確度設定得低于規(guī)格值。這是保證電源軌滿足IC電源規(guī)格指標的唯一方法。(請注意: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。現(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%!這可以實現(xiàn)嗎?
LTC3880數(shù)據(jù)表顯示了監(jiān)控器工作時的輸出精度是±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,會選擇性地觸發(fā)和關斷,并向基本電路板管理控制器(BMC)發(fā)送故障。
復習一下數(shù)學知識
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有考慮到。當您認為我們已經完成工作了,實際上還有更多的問題需要處理。
裕度調節(jié)是怎么樣的情況呢?
在生產環(huán)境中,電源系統(tǒng)運行于(或超過)高規(guī)格值和低規(guī)格值,以消除系統(tǒng)中的任何邊緣性。在我們的設計場合中,這意味著以±3.5%的準確度運行系統(tǒng)。在裕度調節(jié)期間,監(jiān)控器將稍做“讓路”,因為此時的目標是確保系統(tǒng)在整個規(guī)格范圍內擁有可靠性。
我們要確保在極端情況下能夠正常工作,因此,需要通過控制環(huán)精度,使電源軌設置能超越極端情況,以保證極端情況甚至超過極端情況的實際值。如果控制環(huán)精度是0.5%,那么,我們應該把電源軌設置為±4%??刂骗h(huán)精度如果只有2%(與監(jiān)控器相似),情況會怎樣呢?數(shù)值應該是±5.5%。
沒什么大問題,對嗎?
倘若FPGA應用由于較高裕度值的原因而失去定時裕量,那么裕度測試有可能觸發(fā)代價不菲的故障。您也許需要給設計增加定時裕量以通過裕度測試,而假如您無法容許增加裕量,則或許將導致良率下降?;蛘?,您也可以減小裕度值并降低質量(放過某些缺陷)。無論采取哪一種方法,遭受損失的不是您就是您的客戶。如果您為所應為并正確地設定裕度值,則將延緩項目的進展,而且您還將蒙受良率損失并傷害到自己的底線。而假如您在裕度測試中弄虛作假,那么您的客戶就會遭遇損失,因為他們的系統(tǒng)將不具備可靠性。因此,控制環(huán)路準確度確實是事關緊要。這是一個大問題。
閱讀產品規(guī)格
應謹慎地對待制造商提供的規(guī)格指標。每家制造商在規(guī)定其準確度時都使用了其特有的結構??刂骗h(huán)路準確度將由多個部分組成:
1. 電壓差動放大器失調和增益
2. 用于ADC的電壓基準
3. ADC偏移和增益
4. 外部組件(例如:電阻分壓器)所產生的影響
產品手冊有時單獨地規(guī)定以上指標,或者將其中的一些從規(guī)格中省去,抑或根本不直接規(guī)定輸出的準確度。LTC3880規(guī)定了“總誤差”,因此實際的準確度是一目了然的。在比較器件時,如果產品手冊中未給出總誤差指標,則始終必需加以計算。否則,假如您在設計過程的后期(或者更糟,在大批量生產中)遇到問題的話,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)格并進行了誤差預算。我們發(fā)現(xiàn)了其他的一些誤差預算組成部分,包括:紋波、控制環(huán)路準確度、監(jiān)控器準確度和裕度準確度。直接對比FPGA的規(guī)格和POL的性能指標并不能反映全面的情況。POL的準確度必須大大高于FPGA產品手冊給出的規(guī)格值,以保證器件的運作處于規(guī)格范圍之內,并保證兩者在整個規(guī)格范圍內的可靠性,同時在生產中保持高良率。
評論