數字電源精度的重要性分析

　　數字電源器件另一端的精度重要嗎？實際上，它要比大部分人所認識到的會重要得多。

　　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：功率分配網絡（PDN）原理圖

　　這張取自DesignCon 2006“功率分配網絡設計方法的比較”（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在，我們的裕量只剩下4mV！POL輸出電壓精度現在必須是0.5%！這可以實現嗎？

　　LTC3880數據表顯示了監(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，電源系統運行于（或超過）高規(guī)格值和低規(guī)格值，以消除系統中的任何邊緣性。在我們的設計場合中，這意味著以±3.5%的準確度運行系統。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。