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数位电源:为何我该注意精准度?
 

【作者: Michael Jones】2018年11月22日 星期四

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首先,举一个实际的IC规格为例,并考量精准度会产生什麽效应。这里所采用的是一颗高阶FPGA。FPGA的叁数决定了IC保证运作下电源供应器的电压。若电源供应器超出这个范围,就无法保证元件能运行。


接着来看VCC rail,在额定的0.85伏左右,其具有正负30毫伏的变动。对於0.85伏特的电源轨而言,其误差值为正负3.5%。


乍看之下,会认为正负3%的负载点(Point of Load, POL)就能应付这个状况。但不幸的是,还必须考虑其他的因素。



图一 : 10安培POL负载响应(Load Response)
图一 : 10安培POL负载响应(Load Response)

图一的示波器截图显示了在VCC POL输出端上,一个10安培的负载脉冲。另外还有约8毫伏的涟波,以及20毫伏的短暂电压降(short drop)。这让人质疑这些瑕疵讯号(artifacts)是否必须是维持在正负3.3%的规格范围内?示波器截图的波形是POL的输出端。要问的是,负载看到什麽?


这是一个电源分配网路(PDN)电路图,图中显示封装与晶片内的滤波电路。PDN、封装解耦合、以及晶片内电容,都会过滤掉一些瞬变的高频率部分的杂讯。


因此,对於瞬变的馀裕规划问题,答案是,需视情况而定。一般而言,只有PDN封装尾端的部分,会滤掉最高频率的瞬变。



图二 : PDN电路图
图二 : PDN电路图

涟波是另一个重点。涟波的频率较低,不论在负载针脚上看到什麽样的涟波,都会在晶片上看到同样的涟波。因此,对於进行分析的目的而言,会假设涟波会消耗掉一部分的误差馀裕,并忽略瞬变。


由於本范例的涟波为8毫伏,所以误差预算仅有正负2毫伏,或精准度约正负2.5%。不幸的是,这还没结束。还得考虑过压(OV)与欠压(UV)的监控器。OV/UV监控器的功能,等同於比较器及设定跳脱点(trip points)的DAC元件两者的组合。因此关注的重点,在於欠压与过压的精准度。


监控器的精准度是误差预算的一部分,这是因为希??把UV监控器的精准度设定高於规格的要求,OV监控器的精准度则希??要低於规格。也只有这个方法能保证电源轨符合IC的电源供应规格(注:通常可在监控器加入一些滤波元件,以防止各种瞬变(transient)让监控器跳脱,并确保一旦出现涟波就会让监控器跳脱。)


这里是采用LTC3880监控器的正负2%精准度来做为例子。在0.85伏的电源轨上输送17毫伏的电力,此时预算只剩下4毫伏,POL输出电压的精准度必须为0.5%,能办到吗?


LTC3880规格表显示输出精准度在伺服端(server)导通时为正负0.5%。这可以得到一个符合规格的电源轨,还有监控器可提供确保一旦不符合规格时,可以利用监控器执行跳脱或关闭,然後传送一个故障讯号到母板管理控制器(BMC)。


整理一下目前实施的数据:FPGA 规格: 30毫伏;移除涟波: 22毫伏;移除监控器精准度: 4毫伏;移除控制??路精准度: 0毫伏。这能折衷吗?


这个问题就要视预期的品质等级。如果把监控器移出规格外,仅依赖控制??路,那麽控制??路要求的精准度则是2%,相较之下,LTC3880就优於其4倍。意谓它能支援低於0.85伏的电源轨。但是现在仍还没有考虑最後一个层面,後面还有更多。


该如何规划裕量(margining)?

在生产环境中,电源供应系统会在正常规格下运作,或是在超出与低於规格的状态下运行,排除系统中任何罕见状况(marginalities)。在此设计案例中,意谓在正负3.5%规范下运作系统。在规划裕量时,监控器会预留一些馀裕度,因为目标是要确保系统在整个规格范围内维持可靠运作。


由於必须保证在极端状况下依然正常运作,因此必须将电源轨设定在即使超出极端状况下,也能够运作,并且能藉由控制??路的精准度,确保实际数据达到甚至超过极端值。如果控制??路的精准度为0.5%,就必须将电源轨设定为±4%。但要是只有一个精准度为2%的控制??路,接近控制器的水准,那该如何因应呢? 数值应该是±5.5%。


如果FPGA规格因为较高的馀裕数据而失去时序调节的馀裕空间,馀裕测试可能会开始出现代价不赀的失败。因此,必须在设计中增加时序馀裕度以通过馀裕测试,如果不能容许这样做,可能就得承担损失良率的後果。或者,可以藉由允许逸出(escapes)来调降馀裕值与品质,但两者都会让自己或客户蒙受损失。


如果采取正确作法以及设定正确的馀裕值,那麽专案则会延迟,同时会面临良率下滑以及损失收益的情况。但如果在馀裕测试上作手脚,受害的则会是你的客户,因为对他们而言,系统会变得不稳定。所以,控制??路的精准度扮演非常关键的重要性,它的影响至深且远。


请详阅元件规格

请千万要详读制造商提供的规格资料。每家制造商在规范精准度方面都使用自己的架构。控制??路的精准度是由多个元素构成的:


1.电压差放大器偏置(offset)与增益(gain);


2.ADC的叁考电压(Voltage Reference);


3.ADC的偏置与增益


4.电阻分压器(resistor dividers)这类外部元件的贡献


有时资料表会分别规范这些数据,或在规格书中缺漏部分资料,甚至没有直接规范输出精准度。在比较各款元件时,若资料表没有列出,就一定要计算总误差。如果在後面的设计流程遇到问题,甚至到了量产才发现问题,就要後悔自己做出的选择了。


总结

在审视FPGA规格并拟定误差预算时,可以发现,误差预算还包含着其他的元素,如涟波、控制??路的精准度、监控器的精准度、以及馀裕精准度等。光是直接比较FPGA规格,以及POL的规格是无法一窥全貌。POL必须远比FPGA资料表的数据还要精准,才能保证可在规格范围内运作,以及确保在规格范围内维持可靠运行,同时,在量产时能维持高良率。


(本文作者Michael Jones任职於Analog Devices, Inc.)


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