微波EDA网,见证研发工程师的成长!
首页 > 硬件设计 > 硬件工程师文库 > 数字电源精度的重要性分析

数字电源精度的重要性分析

时间:06-15 来源:互联网 点击:

  数字电源器件另一端的精度重要吗?实际上,它要比大部分人所认识到的会重要得多。

  一个错误预算的实例

  让我们用一个实际IC规格,并考虑精度是如何在其中发挥作用的。我们使用一片高端FPGA。FPGA的参数表(如下)确定了保证IC能够正常工作的电源电压。如果电源电压超出了这一范围,器件将不能保证正常工作。

  

  图1:FPGA参数规格

  让我们关注VCC电源轨,它在0.85V标称值上下有±30mV波动。对于0.85V电源轨,误差是±3.5%。

  乍看起来,人们会认为±3% POL能够对此进行处理。不幸的是还有其他一些考虑。

  

  图2:10A POL负载响应

  这幅示波器截屏显示了VCC POL输出端上的一个10A负载脉冲。存在大约8mV的纹波和一个20mV的简短压降。这带来的问题是:这些人为干扰是否必须处于±3.3%的规格范围之内呢?该示波器图中的波形出现在POL的输出端。我们必须要问:负载承受的是什么?

  

  图3:功率分配网络(PDN)原理图

  这张取自DesignCon 2006"功率分配网络设计方法的比较"(Comparison of Power Distribution Network Design Methods)的PDN原理图示出了封装和芯片之中的滤波。PDN、封装去耦和片内电容可以滤除瞬变的某些高频部分。因此,针对瞬变裕度问题的答案是:要看情况而定。一般来说,只有PDN的封装端将会滤除最高的频率。

  纹波是另一回事。纹波的频率较低,而且负载引脚上承受什么样的纹波,芯片就将承受什么样的纹波。于是,出于我们进行分析的考虑,我们将假设纹波消耗了误差裕量的一部分,并且忽略掉瞬变。

  在纹波为8mV的情况下,我们的误差预算仅剩下了±22mV,也就是说准确度大约为±2.5%。不幸的是,我们并未完成所有的工作。我们必须考虑过压(OV)和欠压(UV)监控器。如果您回顾一下我之前发表的一篇文章"数字电源监控和遥测",就会了解到OV/UV监控器是负责设定跳变点并具有DAC的比较器。我们所关心的是欠压和过压准确度。

  监控器的准确度是误差预算的一部分,因为我们希望把UV监控器的准确度设定得高于规格值,而将OV监控器的准确度设定得低于规格值。这是保证电源轨满足 IC电源规格指标的唯一方法。(请注意:虽然我们通常可以给监控器增添某种滤波处理,这样瞬变就不至于使其跳变,但是纹波将始终导致其发生跳变。)

  现在,让我们使用LTC3880监控器的精度,它是±2%。在我们的0.85V电源轨上,则是17mV。现在,我们的裕量只剩下4mV!POL输出电压精度现在必须是0.5%!这可以实现吗?

  LTC3880数据表显示了监控器工作时的输出精度是±0.5%。我们的电源轨满足了规范,而监控器确保它能够正常工作,在之前的文章中我们谈到,如果不满足规范,会选择性地触发和关断,并向基本电路板管理控制器(BMC)发送故障。

  复习一下数学知识

  FPGA规范:30mV

  去掉波纹:22mV

  去掉监控器精度:4mV

  去掉控制环精度:0mV

  有折中方法吗?

  这取决于您所希望的质量水平。如果您从规范中去掉监控器而且依靠控制环,那么所要求的控制环精度是2%,LTC3880提高了4倍。这意味着,它甚至可以支持低于0.85V的电源轨。但是,还有最后一方面我们没有考虑到。当您认为我们已经完成工作了,实际上还有更多的问题需要处理。

  裕度调节是怎么样的情况呢?

  在生产环境中,电源系统运行于(或超过)高规格值和低规格值,以消除系统中的任何边缘性。在我们的设计场合中,这意味着以±3.5%的准确度运行系统。在裕度调节期间,监控器将稍做"让路",因为此时的目标是确保系统在整个规格范围内拥有可靠性。

  我们要确保在极端情况下能够正常工作,因此,需要通过控制环精度,使电源轨设置能超越极端情况,以保证极端情况甚至超过极端情况的实际值。如果控制环精度是0.5%,那么,我们应该把电源轨设置为±4%。控制环精度如果只有2%(与监控器相似),情况会怎样呢?数值应该是±5.5%。

  没什么大问题,对吗?

倘若FPGA应用由于较高裕度值的原因而失去定时裕量,那么裕度测试有可能触发代价不菲的故障。您也许需要给设计增加定时裕量以通过裕度测试,而假如您无法容许增加裕量,则或许将导致良率下降。或者,您也可以减小裕度值并降低质量(放过某些缺陷)。无论采取哪一种方法,遭受损失的不是您就是您的客户。如果您为所应为并正确地设定裕度值,则将延缓项目的进展,而且您还将蒙受良率损失并伤害到自己的底线。而假如您在裕度测试中弄虚作假,那么您的客户就会遭遇损失,

Copyright © 2017-2020 微波EDA网 版权所有

网站地图

Top