工程師技術分享：數字電源為什么要重視精度？

一個錯誤預算的實例

讓我們用一個實際IC規格，并考慮精度是如何在其中發揮作用的。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)監控器。如果您回顧一下我之前發表的一篇文章“數字電源監控和遙測”，就會了解到OV/UV監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。

監控器的準確度是誤差預算的一部分，因為我們希望把UV監控器的準確度設定得高于規格值，而將OV監控器的準確度設定得低于規格值。這是保證電源軌滿足IC電源規格指標的唯一方法。(請注意：雖然我們通常可以給監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生跳變。)

現在，讓我們使用LTC3880監控器的精度，它是±2%。在我們的0.85V電源軌上，則是17mV。現在，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數據表顯示了監控器工作時的輸出精度是±0.5%。我們的電源軌滿足了規范，而監控器確保它能夠正常工作，在之前的文章中我們談到，如果不滿足規范，會選擇性地觸發和關斷，并向基本電路板管理控制器(BMC)發送故障。

有折中方法嗎?

這取決于您所希望的質量水平。如果您從規范中去掉監控器而且依靠控制環，那么所要求的控制環精度是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。

裕度調節是怎么樣的情況呢?

在生產環境中，電源系統運行于(或超過)高規格值和低規格值，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。在裕度調節期間，監控器將稍做“讓路”，因為此時的目標是確保系統在整個規格范圍內擁有可靠性。