Denne artikel fortæller, hvordan en højpræcis vinduesspændingsmonitor maksimerer forsyningens output. Ved at forbedre vinduet for forsyningens anvendelige kernespændinger, sikrer man drift inden for det acceptable område for strømforsyningen
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 5 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Noel Tenorio, product applications manager, og Camille Bianca Gomez, product applications engineer,
Analog Devices Inc.
Digitale kredsløbs energiforbrug er en kritisk parameter i bærbart og batteridrevet udstyr – og forbruget stiger bare hele tiden. Beregningsalgoritmerne bliver mere komplekse, og man kræver konstant hurtigere komponenter som FPGA’er og andre slags embeddede processorer. Komplekse processer kræver mere energi, og et højere forbrug giver mere varme trods et fald i forsyningsspændingerne med hver ny procesarkitektur.
Med de faldende forsyningsspændinger kræves mere præcise strømforsyninger. Hvis man ikke tager hensyn til forsyningernes faktiske ydelse, kan det bringe hele systemet i fare. Da de fleste regulatorer ikke i sig selv er præcise nok, kan forsyningsspændingen falde til under den nødvendige værdi, og så kan processorer eller FPGA’er fejle. I kontinuert brug kan spændingen også drifte til et niveau over en komponents tærskelværdi, og det kan skade en FPGA eller give hold-time fejl i logikken. Alle disse risici hænger sammen med belastningstilstanden, driftstemperaturen og ældning af systemet. Selv om vi i artiklen primært fokuserer på FPGA’er, så gælder de samme forhold for mange andre beregnings- og processorkomponenter.
Tolerancer
Tolerancer er et vitalt hensyn i design og monitering af strømforsyninger, da mange IC-typer skal behandles forskelligt afhængigt af opgaven. I det følgende definerer vi tolerancerne i hvert enkelt tilfælde. Forsyningsspændingen af kerner følger tolerancer som specificeret i databladene. Tabellen viser en Altera Arria 10 FPGA’s kernespændingsspecifikationer som et eksempel. Minimum- og maksimumværdierne giver en ±3,3 procent tolerance i forhold til den nominelle værdi. Spændinger over og under grænserne vil påvirke ydelsen. For optimal ydelse og mindst muligt energiforbrug kræves en meget nøje overholdelse af tolerancerne.
Tolerancen er afvigelserne eller reguleringsydelsen i strømforsyningen. En stram styring af forsyningens tolerance kræver et ekspertdesign. Tolerancer kan dog ændre sig over tiden som følge af blandt andet ældning i komponenterne. Det skal der som udgangspunkt tages hensyn til, og en regulator med selv en godkendt tolerance befinder sig ikke nødvendigvis på den statistiske middelværdi for reguleringsområdet, men bare ”inden for området”. Det kan skyldes en DC-fejl som følge af standardværdierne i modstandene i feedback-loopen, deres tolerancer, referencespændingens integritet samt optimering af kompensationskredsløbet i feedback-loopen.
Hvis man forestiller sig en FPGA, hvor kernespændingen er forsynet fra en switchet regulator, så kan konverterne med en defineret tolerance på ±2 procent fungere overalt inden for et fire procent vindue. Reelt kan forsyningen komme under den nominelle værdi med sine -2 procent, og så udsætter man FPGA’en for timing-problemer. Ligger man nær +2 procent loftet, hvilket måske nok opfylder FPGA’ens krav, men det er ikke optimalt og spilder en del energi. Uden monitering kan forsyningen måske endda drifte uden for de anbefalede spændingsniveauer, og det skal undgås, da det kan føre til mere seriøse problemer.
Tolerance i vinduesmonitor
Med en vinduesmonitering sætter man underspænding (UV) og overspænding (OV) procentuelt i forhold til en nominel værdi. En vinduesmonitor med en nominel værdi på 1V og et tolerancevindue på ±3 procent sætter UV-tærskelværdien til 1V × 0,97 og OV-tærskelværdien til 1V × 1,03. UV- og OV-tærsklerne har dog deres egne tolerancer – også kaldet tærskelpræcisionen.
En vinduesspændingsmonitor sikrer, at komponenten arbejder inden for sit specificerede spændingsområde, når man sætter UV- og OV-tærsklerne. Monitoren udsender et reset output-signal, hvor forsyningsspændingen går ud over tærsklerne, og det forhindrer systemfejl samt beskytter komponenterne mod skader. Timing-diagrammet i figur 2 viser, hvordan et reset-output er til stede, når en moniteret spænding falder uden for UV- eller OV-tærskelværdierne. Der findes mange arkitekturer for vinduesmonitorer og for indstilling af UV- og OV-tærsklerne samt for valget af de driftstolerancer, man kan vælge for optimal drift.
Valg og optimal brug af en vinduesmonitor er dog ikke så let, som det ser ud til. Det passende tolerancevindue skal vælges omhyggeligt ud fra en række variable. Desuden har reset-tærsklerne for UV og OV deres egne specifikationer for præcisionen. Tærskelpræcisionen – udtrykt i procent – er graden af konformitet mellem de faktiske og de beregnede target-tærskelværdier, og de defineres af en spændingsdeler og et bandgap-kredsløb i IC-designet. Jo mere robust referencespændingen og modstande er, desto bedre præcision kan man også opnå. Figur 3 er en illustration af tolerancevinduet og tærskelpræcisionen i en vinduesspændingsmonitor. De faktiske UV- og OV-tærskelværdier, UV_TH og OV_TH, kan variere inden for præcisionsspecifikationen for minimum- og maksimumværdierne.
Budgettet for en strømforsyning bliver ofte udført under systemdesignet. For en FPGA kernespænding med ±3 procent tolerance i driftsspecifikationen kan ±1 procent tilskrives DC-reguleringsfejl i forsyninger, ±1 procent til output ripplespænding og yderligere ±1 procent til transientrespons. En mindre præcis strømforsyning med en ±2 procent reguleringsfejl giver derfor mindre plads til transienter. Det øger risiko for fejlfunktioner ved direkte forsyning af komponenten, da transienter kan bevæge sig uden for kernespændingens specifikationsvindue. Fejl kan undgås, hvis man sikrer sig, at vinduesspændingsmonitorer sikkert kan sætte FPGA’en i en reset-tilstand, hvis der opstår for store transienter.
Valg af det rigtige tolerancevindue
Et almindeligt problem i valget af en vinduesspændingsmonitor er indstillingen og valget af det rigtige tolerancevindue. Man vil ofte bruge en vinduesspændingsmonitor med den samme tolerance som tolerancerne i den centrale komponents kernespænding. Hvis en monitor med et tolerancevindue på ±3 procent bruges til en kerne med en ±3 procent tolerance, kan det følgende ske: På grund af tærskelpræcisionen kan valget af de samme tolerancer i forsyning og kerne trigge et reset-output nær den maksimale overspændingstærskel, OV_TH (max), eller det tilsvarende for UV_TH (min), hvilket kan føre til en fejlfunktion i kernen. I figur 4(a) går den moniterede forsyningsspænding ud over kernens spændingstolerance, hvilket ikke nødvendigvis bliver opdaget af monitoren, som ikke har nået sin egen tærskelværdi – med mindre man tager hensyn til tærskelpræcisionen. Forsyningen vil i dette tilfælde gå ud over de ±3 procent, og det vil blive leveret til processorkernen, så man har altså brug for at kunne vælge sit vindue for tolerancen mere præcist. For at undgå disse fejl skal OV_TH (max) og UV_TH (min) indstilles inden for de ±3 procent tolerancekrav, som kernen stiller. Alligevel vil en del af det rådige forsyningsvindue blive ædt af præcisionen, og det vil give et reduceret vindue for strømforsyningen som vist i figur 4(b).
Betydning af tærsklernes præcision
Lad os nu forestille os to spændingsmonitorer med forskellige tærskelpræcisioner til monitering af de samme kernespændinger. De aktuelle UV- og OV-tærskler for monitoren med den højere præcision afviger mindre end for den med den lavere præcision i forhold til de forventede UV- og OV-tærskelværdier. I figur 5(a) ser man, at den lavere præcision i tærskelværdi vil give et smallere forsyningsvindue, da reset output-signalet vil optræde inden for kernens forsyningsspænding, som er inden for UV- og OV-moniteringsområdet. En dårligt reguleret strømforsyning vil i de tilfælde kunne udsætte følsomme systemer for oscillation. Den højere præcision for tærskelværdierne giver et udvidet og bredere forsyningsvindue til kernen – figur 5(b) – og det øger systemydelsen og sikrer en bedre stabilitet.
Figur 6 er et eksempel på monitering af en 2,5V kernespænding med en ±5 procent tolerancespecifikation og to vinduesspændingsmonitorer med forskellige tærskelpræcisioner. Monitorerne har tolerancevinduer i tærskelpræcisionen på ±1,5 procent og ±0,3 procent for henholdsvis 6(a) og 6(b). Med en ±1,5 procent tærskelpræcision skal det optimale tolerancevindue forhindre fejl i området i figur 6(a), og det er på ±3,5 procent. Det medfører et forsyningsvindue på 100mV. Med en ±0,3 procent tærskelpræcision bliver tolerancevinduet for strømforsyningen nu så stort som ±4,7 procent uden risici for fejlfunktioner. Det medfører så et vindue i forsyningsspændingen på 220mV. Denne forskel i præcision mere end fordobler det rådige vindue i forsyningsspændingen og maksimerer derfor ydelse af strømforsyningen.
De viste beregninger er opnået med ADI’s Window Voltage Monitor Calculator, et værktøj, som gør det let af visualisere de forskellige parametre i en vinduesspændingsmonitor. Brugerne kan dermed også tjekke, om en komponents specifikationer passer til designkrav som strømforsyningens driftsvindue. Værktøjet kan downloades fra de følgende produktsider: MAX16138, MAX16191, MAX16193, MAX16132/MAX16133/MAX16134/MAX16135 og MAX16137.
Med de løbende forbedringer af arkitektur og ydelse i vinduesspændingsmonitorer for bedre at kunne følge med den stadigt lavere kernespænding er præcisionen i tærskelværdierne nu så høj som fra ±1,5 procent til ±0,3 procent. Og for bedre præcision er der nu vinduesspændingsmonitorer med fabrikstrimmede nominelle moniterede spændinger og tolerancevinduer. MAX16193 er et ±0,3 procent præcis dual-channel moniteringskredsløb, og det er den monitor, som giver branchens højeste tærskelpræcision på tværs af de forskellige temperaturforhold. En variant med fabrikstrimmede tolerancevinduer mellem ±2 procent og ±5 procent er til rådighed for flere forskellige forsyningsspændinger og tolerancer til både industrielle og automotive applikationer. I det typiske applikationskredsløb i figur 7 moniterer input-kanal, 1 (IN1), de lave kernespændinger mellem 0,6V og 0,9V med tærskler inden for en ±0,3 procent præcision, mens input-kanal 2, (IN2), moniterer de højere system rail-spændinger mellem 0,9V og 3,3V med en ±0,3 procent tærskelpræcision.
MAX16193’s specifikationer for tærskelpræcisionen er ægte for alle temperaturer i driftsområdet mellem -40°C og +125°C. Figurerne 8(a) og 8(b) viser, at den høje tærskelpræcision for de to inputs, IN1 og IN2, gælder ved de forskellige temperaturer. Hvor andre spændingsmonitorer kun har en optimal ydelse inden for et begrænset område, så garanterer MAX16193 den høje præcision lige fra den laveste til den højeste driftstemperatur.
Billedtekster:
Tabel: Altera Arria 10 kernespændingsspecifikationer.
Figur 1: Forsyningsspændinger i IC’erne falder med hver ny procesarkitektur.
Figur 2: Timing-diagram viser et reset-output i tilfælde af UV og OV.
Figur 3: Under- og overspændings-tærskelvariation i forhold til specifikationen af præcisionen.
Figur 4: Vinduesspændingsmonitorens toleranceindstilling er den samme som for kernen (a) – og inden for kernens spændingstolerance (b).
Figur 5: Tilladeligt forsyningsvindue og reset-respons for en lav tærskelpræcision (a) og for en høj tærskelpræcision (b).
Figur 6: Effektivt strømforsyningsvindue med (a) ±1,5 procent tærskelpræcision og (b) ±0,3 procent tærskelpræcision.
Figur 7: Applikationskredsløb for MAX16193. Det er den vinduesspændingsmonitor, der har branchens bedste tærskelpræcision over hele temperaturområdet og for input/output-forsyninger af en MCU.
Figur 8: UV- og OV-tærskelpræcision over hele temperaturområdet for (a) IN1 og (b) IN2.
