提高系統可靠性的電壓管理器選

電壓管理器是一種集成電路，在低電壓的情況下它可以用來對處理器進行復位，避免處理器錯誤操作以確保系統安全掉電。本文介紹了電壓管理器概念以及電壓管理器的重要性能，并以ispPAC-POWR1208P1為例探討電源電壓的監測電路的應用。

隨著亞微米技術的應用，先進的集成電路，例如那些在通信產品中所用到的處理器在增強性能和功能的同時，還降低了功耗。這也導致了器件內核電壓的降低，然而器件之間相互連接的標準需要不同種類的I/O電壓，使得需要給這些器件提供多種電源電壓。在一個典型的處理器數據手冊中，除了定義1.2V的內核電壓、2.5V和3.3V的I/O電壓以外，同時也定義了允許的電壓變化范圍。例如，1.2V的范圍是±3%、2.5V和3.3V的范圍是±5%。只要電源電壓的波動在其允許的范圍之內，處理器就會正常工作。如果器件的內核電壓降到一定的門限以下，處理器開始錯誤理解指令。如果I/O接口的電壓降到信號規格以下，在處理器和存儲器之間傳送的數據就會變得模糊，致使處理器誤讀指令，由此引起錯誤的指令。

圖1：單電源電壓管理器電路。

由于錯誤的指令，就會導致處理器不可預知的行為。在某些時候，處理器可能重寫電路板上的閃存存儲器，從而引起整個電路板不能正常工作。在電源電壓低于門限的條件下，板上的ASIC/FPGA都可能產生不可預知的行為。例如，對用于網絡處理的ASIC，當電源電壓低于門限時，它可能發出一些混亂的數據包，或者遺失一些內部緩存的數據包，因此引起錯誤的信息。電壓管理器就是用于防止這種不可預知的行為。

電壓管理器的概念

電壓管理器是一種集成電路，在低電壓的情況下它可以用來對處理器進行復位，避免處理器錯誤操作。在某些情況下，電壓管理器可以中斷處理器當前的指令操作流程，給處理器提供早期的告警信息，以確保系統安全掉電。

一個典型的電壓管理器(如圖1所示)包括一個電壓比較器、能隙(band-gap)參考電壓源和用于設置監測電壓閾值的電壓衰減器。比較器的輸出可以用于中斷處理器的操作或者對其復位。

如圖2所示，這是一個用于多電源電壓監測的器件結構。這類器件包含多個比較器，這些比較器擁有各自獨立的衰減器，以此來完成對不同電源電壓的監測。其比較器的輸出經邏輯組合提供一個單一的輸出信號去中斷或者復位處理器。

電壓管理器的精確性

如圖1所示的電路，這是一個假設的理想框圖，其中包括能隙電壓參考源(輸出電壓為1.25V)，衰減器(當輸入電壓為3.135V時，其輸出為準確的1.25V)和理想的比較器(所謂理想的比較器，是指該比較器沒有任何偏移，無窮大的增益，零傳播延遲，當受監測的電壓為3.135V時，比較器總是準確地翻轉。)

圖2：三種電源電壓監測電路。

在現實中，能隙參考電壓隨溫度變化而改變，衰減器的輸出電壓隨器件不同而不同，這樣會造成比較器的不準確。累計起來，在整個工作溫度范圍和電壓范圍內這些變化因素會使比較器的閾值發生變化。管理器的準確性指標就是對不同器件在整個工作溫度范圍內實際電壓閾值門限的度量。

圖3為表示電壓管理器精度的示意圖。以圖1所示的單電源電壓管理器為例，電源電壓出錯門限設置在3.3V-5%(3.135V)。如果電源電壓管理器的精度為2%，在其范圍以外3.135-2%(3.072V)或3.135+2%(3.2V)的任何地方都可以指示出電源錯誤。如圖3中的A和B所示。

如果電源電壓在3.2V時，出現電源錯誤標示，即意味著應該阻止處理器操作，盡管此時處理器在這種情況下或許能正常地的工作。更嚴重的情況是當電源電壓降到3.07V時，處理器在低于指定的最低的門限電壓下工作，極有可能出現錯誤的操作。使采用電源管理器監控電源電壓的目的毫無用處。

補償電壓管理器的精確性

由于電壓管理器的不準確，可能使處理器工作在不希望的低電壓情況下。為了避免這種情況的發生，電壓管理器的閾值門限必須仔細選擇，使得電源出錯監測范圍落在處理器正常工作的電源范圍以內。如圖4所示，如果將電壓管理器的閾值電壓設置在3.2V，判斷電源出錯的范圍電壓從3.14V到3.26V，這樣就可以避免處理器工作在低于門限電壓(3.3V-5%)。

圖3：精度為2%的管理器故障檢測。

在圖4中，電壓管理器的門限設置為3.2V，其計算公式如下：