数字电源：为什么要重视精度？

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数字电源器件另一端的精度重要吗？实际上，它要比大部分人所认识到的会重要得多。
         
        一个错误预算的实例
        让我们用一个实际IC规格，并考虑精度是如何在其中发挥作用的。我们使用一片高端FPGA。FPGA的参数表（如下）确定了保证IC能够正常工作的电源电压。如果电源电压超出了这一范围，器件将不能保证正常工作。
       
        图1：FPGA参数规格
         
        让我们关注VCC电源轨，它在0.85V标称值上下有±30mV波动。对于0.85V电源轨，误差是±3.5%。
       
        乍看起来，人们会认为±3% POL能够对此进行处理。不幸的是还有其他一些考虑。
         
       
        图2：10A POL负载响应
         
        这幅示波器截屏显示了VCC POL输出端上的一个10A负载脉冲。存在大约8mV的纹波和一个20mV的简短压降。这带来的问题是：这些人为干扰是否必须处于±3.3%的规格范围之内呢？该示波器图中的波形出现在POL的输出端。我们必须要问：负载承受的是什么？
         
       
        图3：功率分配网络（PDN）原理图
         
        这张取自DesignCon 2006“功率分配网络设计方法的比较”（Comparison of Power Distribution Network Design Methods）的PDN原理图示出了封装和芯片之中的滤波。PDN、封装去耦和片内电容可以滤除瞬变的某些高频部分。因此，针对瞬变裕度问题的答案是：要看情况而定。一般来说，只有PDN的封装端将会滤除最高的频率。
       
        纹波是另一回事。纹波的频率较低，而且负载引脚上承受什么样的纹波，芯片就将承受什么样的纹波。于是，出于我们进行分析的考虑，我们将假设纹波消耗了误差裕量的一部分，并且忽略掉瞬变。
       
        在纹波为8mV的情况下，我们的误差预算仅剩下了±22mV，也就是说准确度大约为±2.5%。不幸的是，我们并未完成所有的工作。我们必须考虑过压（OV）和欠压（UV）监控器。如果您回顾一下我之前发表的一篇文章“数字电源监控和遥测”，就会了解到OV/UV监控器是负责设定跳变点并具有DAC的比较器。我们所关心的是欠压和过压准确度。
       
        监控器的准确度是误差预算的一部分，因为我们希望把UV监控器的准确度设定得高于规格值，而将OV监控器的准确度设定得低于规格值。这是保证电源轨满足IC电源规格指标的唯一方法。（请注意：虽然我们通常可以给监控器增添某种滤波处理，这样瞬变就不至于使其跳变，但是纹波将始终导致其发生跳变。）
       
        现在，让我们使用LTC3880监控器的精度，它是±2%。在我们的0.85V电源轨上，则是17mV。现在，我们的裕量只剩下4mV！POL输出电压精度现在必须是0.5%！这可以实现吗？
       
        LTC3880数据表显示了监控器工作时的输出精度是±0.5%。我们的电源轨满足了规范，而监控器确保它能够正常工作，在之前的文章中我们谈到，如果不满足规范，会选择性地触发和关断，并向基本电路板管理控制器（BMC）发送故障。
        复习一下数学知识
       
        FPGA规范：30mV
        去掉波纹：22mV
        去掉监控器精度：4mV
        去掉控制环精度：0mV
       
        有折中方法吗？
       
        这取决于您所希望的质量水平。如果您从规范中去掉监控器而且依靠控制环，那么所要求的控制环精度是2%，LTC3880提高了4倍。这意味着，它甚至可以支持低于0.85V的电源轨。但是，还有最后一方面我们没有考虑到。当您认为我们已经完成工作了，实际上还有更多的问题需要处理。
       
        裕度调节是怎么样的情况呢？
       
        在生产环境中，电源系统运行于（或超过）高规格值和低规格值，以消除系统中的任何边缘性。在我们的设计场合中，这意味着以±3.5%的准确度运行系统。在裕度调节期间，监控器将稍做“让路”，因为此时的目标是确保系统在整个规格范围内拥有可靠性。
       
        我们要确保在极端情况下能够正常工作，因此，需要通过控制环精度，使电源轨设置能超越极端情况，以保证极端情况甚至超过极端情况的实际值。如果控制环精度是0.5%，那么，我们应该把电源轨设置为±4%。控制环精度如果只有2%（与监控器相似），情况会怎样呢？数值应该是±5.5%。
       
        没什么大问题，对吗？
       
        倘若FPGA应用由于较高裕度值的原因而失去定时裕量，那么裕度测试有可能触发代价不菲的故障。您也许需要给设计增加定时裕量以通过裕度测试，而假如您无法容许增加裕量，则或许将导致良率下降。或者，您也可以减小裕度值并降低质量（放过某些缺陷）。无论采取哪一种方法，遭受损失的不是您就是您的客户。如果您为所应为并正确地设定裕度值，则将延缓项目的进展，而且您还将蒙受良率损失并伤害到自己的底线。而假如您在裕度测试中弄虚作假，那么您的客户就会遭遇损失，因为他们的系统将不具备可靠性。因此，控制环路准确度确实是事关紧要。这是一个大问题。
       
        阅读产品规格
       
        应谨慎地对待制造商提供的规格指标。每家制造商在规定其准确度时都使用了其特有的结构。控制环路准确度将由多个部分组成：
       
        1. 电压差动放大器失调和增益
        2. 用于ADC的电压基准
        3. ADC偏移和增益
        4. 外部组件（例如：电阻分压器）所产生的影响
       
        产品手册有时单独地规定以上指标，或者将其中的一些从规格中省去，抑或根本不直接规定输出的准确度。LTC3880规定了“总误差”，因此实际的准确度是一目了然的。在比较器件时，如果产品手册中未给出总误差指标，则始终必需加以计算。否则，假如您在设计过程的后期（或者更糟，在大批量生产中）遇到问题的话，就有可能要为自己的选择而后悔不已了。
       
        概要
        我们研究了FPGA规格并进行了误差预算。我们发现了其他的一些误差预算组成部分，包括：纹波、控制环路准确度、监控器准确度和裕度准确度。直接对比FPGA的规格和POL的性能指标并不能反映全面的情况。POL的准确度必须大大高于FPGA产品手册给出的规格值，以保证器件的运作处于规格范围之内，并保证两者在整个规格范围内的可靠性，同时在生产中保持高良率。