提高系统可靠性的电压管理器选择

电源电压输出的变化决定电压管理器的准确度

　　电源的输出电压由于各种不同的原因与典型值之间有差异，这些因素包括：负载电流，工作的环境温度以及器件与器件之间的差异。一种通常的做法是在选择电源时，选择其电压的偏差值范围小于单板电路对电压所能容忍的范围。例如,电源电压的波动范围为3%，而单板电路对电源电压的要求其变化范围是5%。电源电压输出的最小值为3.3V-3%=3.2V，具有2%精度的电压管理器的门限电压范围为3.14V到3.26V。这就是说，无论什么时候只要电源电压输出低于3.26V(例如，动态电流的增加，温度升高等原因)，电压管理器就能检查出电源错误信息并对处理器复位，同时导致系统间歇故障。

图4：基于修正门限电压后的错误监测。

　　在设定的电源电压输出范围值和单板电路容忍电压的范围值，等式2可以用来计算需要的电压管理器的精度。

　　这里：VSupRng为电源电压输出范围值百分比；VCktTol为板上电路所能容忍的电压范围值百分比；Asup为电压管理器的精度百分比。

　　请注意，在公式(2)中电压管理器的精度与实际的电源电压无关，而仅仅与电源输出电压偏差范围和单板电路对工作电压容忍范围有关。

　　如图5所示，曲线图表示所计算出的管理器的精度与电源电压输出范围的关系。这里有两条曲线，对应不同板上电路的电源电压容忍范围，分别是3%和5%。如图5中的箭头所指，把一个电压输出范围在3%的电源用到板上电路，其电压容忍范围为5%时，要求电压管理器的精度为1%。

图5：输出电压范围与电压管理器精度曲线图。

　　在一个多电压的电路板上，有些器件的电压容忍范围是3%。如果电压管理器的精度是1%，如图5所示，电源电压输出的范围将被限制在1%的范围。由此可清楚地得出，对于可靠的系统操作，电压管理器的精度是一个极为重要的因素。例如，由Lattice提供的ispPAC-POWR1208P1芯片，该器件在室温条件下提供0.5%的电压监测精度。同时，该单芯片可以精确监测多达12种电源。对于可靠的系统操作，不仅仅电压管理器的精度重要，而且错误监测的时延也需要考虑。以下将讨论该内容。

　　电压管理器的错误监测时延

　　错误监测时延是指当电源电压降到电压管理器所设置的门限电压值时，电压管理器的指示翻转，指示出错误的时间。图6所示，当3.3V的电源电压在错误期间，同时，电压管理器监测出错误后，使其输出翻转。

图6：单板错误监测示意图。

　　请注意，为了简化，这里的讨论忽略错误监测的准确度。如图6所示，电压管理器报告错误的时间越长，电源电压下降的幅度越大。例如，当电源电压的衰减率为1V/ms，电压管理器的阈值为3.3V-5%。这里有两种情形：

　　情形1: 错误监测时延为1ms。在这种情况下，电源电压继续往下掉。当处理器被复位时，电源电压可能已降到低于处理器所能容忍的最低电压门限以下。尽管处理器的电压范围要求是3.3V+/-5%，由于错误监测时延为1ms，使得当电源电压下降到2V时，处理器还在执行命令。很显然，高精度的电压监测没有发挥其作用。

　　情形2: 错误监测时延为50us。由于错误监测时延为50us，当电压管理器输出指示信息时，供给处理器的电源电压已经从门限电压值3.3V-5%再下降50mV。再次强调，在此刻的电压值不能确保处理器的正常工作。

　　为可靠的错误监测提高门限阈值

　　现在，将门限电压调整到比3.3V-5%高50mV，当电源电压下降到门限附近时，处理器将被复位。在这种应用例子中，错误监测时延为1ms是不能接受的。但是，对于错误监测时延为50us，需要将门限电压设置在比处理器所能容忍的最低操作电压高50mV。

　　很明显，为保证系统操作可靠，电压管理器不仅仅要考虑管理器的精度，同时也要考虑错误监测的时延。由于过高的输入电压会造成器件的损坏，为避免损坏器件，对高电压的监测也是很重要的。在这种情况下，对过电压的错误监测速度要比对次电压的错误监测速度更重要。例如，Lattice的ispPAC-POWR1208可以同时监测12路电源电压，错误监测时延为4us。

　　以上的例子只是考虑到对单电源使用非常精确的电压管理器。在现实情况中，需要监测的电源电压不仅仅只有一种，经常都是多种电压。电压管理器必须具备同时监测多种电源电压的能力，并且要有最小的错误监测时延。

　　增加系统可靠性的其它因素

　　为了可靠的电源电压错误监测，其他的因素也需要考虑。它们是：

尖脉冲滤波器。单板在实际工作中，电源上通常是有噪声的。这些噪声的产生可能来源于电源的纹波，或者来源于当板上器件工作时的瞬变电流。这些噪声都会引起电压管理器的比较器的随机翻转，为了防止这种情况的发生，电压管理器在输入端有一个尖脉冲滤波器