【導讀】人ren們men對dui電dian池chi供gong電dian的de便bian攜xie式shi小xiao工gong具ju和he器qi件jian的de需xu求qiu量liang大da增zeng，數shu字zi電dian路lu的de能neng耗hao成cheng為wei一yi個ge重zhong要yao的de關guan注zhu點dian。計ji算suan和he處chu理li變bian得de越yue來lai越yue複fu雜za
，需xu要yao速su度du更geng快kuai的de器qi件jian
，例li如ru現xian場chang可ke編bian程cheng門men陣zhen列lie(FPGA)和其他處理芯片。複雜的處理需要更高的功率，這反過來又會導致高速運行的芯片發熱。如圖1所示，器件尺寸的工藝技術正微縮至納米級別
，為了優化器件的處理速度並延長使用壽命，必須相應地降低其工作電壓3。

摘要

技術發展日新月異，為應對功耗和散熱挑戰，改善應用性能，FPGA、處理器、DSP和ASIC等(deng)數(shu)字(zi)計(ji)算(suan)器(qi)件(jian)的(de)內(nei)核(he)電(dian)壓(ya)逐(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)。同(tong)時(shi)
，這(zhe)也(ye)導(dao)致(zhi)內(nei)核(he)電(dian)源(yuan)容(rong)差(cha)變(bian)得(de)更(geng)小(xiao)，工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)變(bian)窄(zhai)。大(da)多(duo)數(shu)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)並(bing)非(fei)完(wan)美(mei)無(wu)缺(que)，但(dan)內(nei)核(he)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)的(de)趨(qu)勢(shi)要(yao)求(qiu)電(dian)源(yuan)供(gong)應(ying)必(bi)須(xu)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)
，以(yi)確(que)保(bao)電(dian)路(lu)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)1。窗口電壓監控器有助於確保器件在適當的內核電壓水平下運行，但閾值精度是使可用電源窗口最大化的重要因素2。

benwentaolunruheliyonggaojingduchuangkoudianyajiankongqilaishidianyuanshuchuzuidahua。tongguogaishanqijianneihedianyadekeyongdianyuanchuangkou，quebaoqijianzaiyouxiaodegongzuodianyuanfanweineiyunxing。

簡介

人ren們men對dui電dian池chi供gong電dian的de便bian攜xie式shi小xiao工gong具ju和he器qi件jian的de需xu求qiu量liang大da增zeng，數shu字zi電dian路lu的de能neng耗hao成cheng為wei一yi個ge重zhong要yao的de關guan注zhu點dian。計ji算suan和he處chu理li變bian得de越yue來lai越yue複fu雜za，需xu要yao速su度du更geng快kuai的de器qi件jian
，例li如ru現xian場chang可ke編bian程cheng門men陣zhen列lie(FPGA)和其他處理芯片。複雜的處理需要更高的功率，這反過來又會導致高速運行的芯片發熱。如圖1所示
，器件尺寸的工藝技術正微縮至納米級別，為了優化器件的處理速度並延長使用壽命
，必須相應地降低其工作電壓3。 

技(ji)術(shu)工(gong)藝(yi)優(you)化(hua)趨(qu)勢(shi)使(shi)得(de)市(shi)場(chang)對(dui)高(gao)精(jing)度(du)電(dian)源(yuan)的(de)需(xu)求(qiu)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)迫(po)切(qie)。如(ru)果(guo)忽(hu)視(shi)電(dian)源(yuan)的(de)實(shi)際(ji)性(xing)能(neng)
，就(jiu)可(ke)能(neng)給(gei)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)帶(dai)來(lai)風(feng)險(xian)。大(da)多(duo)數(shu)穩(wen)壓(ya)器(qi)都(dou)不(bu)夠(gou)精(jing)準(zhun)
，如(ru)果(guo)內(nei)核(he)電(dian)壓(ya)低(di)於(yu)工(gong)作(zuo)要(yao)求(qiu)電(dian)壓(ya)，處(chu)理(li)器(qi)件(jian)（如FPGA）可能會因錯誤而發生故障。在連續操作情況下
，如果內核電壓漂移到最大工作要求電壓以上，FPGA可能會被損壞，邏輯中可能產生保持時間故障。這些風險可能與負載條件
、工作溫度和設備老化有關1。雖然本文中的大多數示例提到了FPGA
，但同樣的原理也適用於其他計算和處理器件。

圖1.隨著技術工藝的進步，集成電路的電源電壓越來越低3

應對容差

shejihejiankongjisuanyuchulixinpiansuoyongdedianyuanshi，xuyaotebieguanzhurongchawenti，yinweicongbutongjiaodulaikandehua，rongchadechulifangshikenengyousuobutong。zaibenwendetaolunzhong
，womenzaiyixiazhangjiedingyimeizhongrongcha。
 
內核電壓容差

內核電壓容差是計算器件內核電源規格。表1以Altera Arria 10 FPGA為例
，顯示了其內核電壓規格。最小值和最大值範圍相對於標稱值有±3.3％的de容rong差cha。以yi低di於yu標biao準zhun最zui小xiao值zhi或huo高gao於yu最zui大da值zhi的de電dian壓ya操cao作zuo此ci器qi件jian將jiang會hui導dao致zhi性xing能neng問wen題ti。為wei了le實shi現xian最zui佳jia性xing能neng和he低di功gong耗hao運yun行xing，須xu遵zun循xun更geng嚴yan格ge的de容rong差cha規gui定ding。

表1.Altera Arria 10內核電壓規格

電源容差

電(dian)源(yuan)容(rong)差(cha)是(shi)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)偏(pian)差(cha)或(huo)輸(shu)出(chu)穩(wen)壓(ya)性(xing)能(neng)。要(yao)獲(huo)得(de)嚴(yan)格(ge)的(de)電(dian)源(yuan)容(rong)差(cha)，需(xu)要(yao)由(you)專(zhuan)家(jia)精(jing)心(xin)設(she)計(ji)。然(ran)而(er)
，電(dian)源(yuan)容(rong)差(cha)可(ke)能(neng)會(hui)受(shou)到(dao)元(yuan)器(qi)件(jian)老(lao)化(hua)等(deng)外(wai)部(bu)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)，隨(sui)時(shi)間(jian)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。在(zai)應(ying)用(yong)中(zhong)
，此(ci)電(dian)源(yuan)容(rong)差(cha)應(ying)在(zai)內(nei)核(he)電(dian)壓(ya)容(rong)差(cha)範(fan)圍(wei)內(nei)。電(dian)源(yuan)輸(shu)出(chu)的(de)任(ren)何(he)操(cao)作(zuo)都(dou)可(ke)能(neng)給(gei)處(chu)理(li)和(he)計(ji)算(suan)器(qi)件(jian)（如FPGA）帶來問題。具有一定標稱容差的穩壓器，其實際輸出電壓未必恰好是穩壓規格的中間值
，而是在穩壓範圍以內。原因可能包括：反饋環路中使用的電阻標準值本身存在一定的容差，進而帶來了直流誤差
；基準電壓的穩健性
；以及反饋環路補償的優化。假設一個FPGA的內核電壓由開關穩壓器供應。該開關轉換器的標稱容差為±2%

，運行時可能處於4%窗口內的任何位置。例如可能低於標稱值，但仍在-2%以內，進而導致FPGA存在時序風險。或者可能接近+2%的上限，這仍然可以滿足FPGA要求
，但不是最佳運行條件

，會浪費大量電力1。如果不進行監控，器件最終可能會在建議的電壓水平之外運行，這可能導致更嚴重的問題，必須避免這種情況的發生。

窗口電源監控器容差

窗口電源監控器容差（或稱容差窗口）以相對於標稱值的百分比設置欠壓(UV)和過壓(OV)閾值。對於標稱電壓值為1 V、容差窗口為±3%的窗口電壓監控器，UV閾值設置為1 V × 0.97
，OV閾值設置為1 V × 1.03。然而，這些閾值（UV和OV）本身也有容差，稱為閾值精度。

使用窗口電壓監控器

窗口電壓監控器通過設置UV和OV閾(yu)值(zhi)來(lai)確(que)保(bao)器(qi)件(jian)在(zai)其(qi)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)內(nei)運(yun)行(xing)。如(ru)果(guo)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)超(chao)出(chu)這(zhe)些(xie)設(she)定(ding)的(de)限(xian)值(zhi)，它(ta)會(hui)發(fa)出(chu)複(fu)位(wei)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)

，有(you)助(zhu)於(yu)防(fang)止(zhi)係(xi)統(tong)出(chu)錯(cuo)，保(bao)護(hu)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)免(mian)受(shou)損(sun)壞(huai)。圖(tu)2中的時序圖顯示了當監測到的電壓低於UV閾值或超過OV閾值時如何提供複位輸出。窗口電壓監控器有多種架構方案，可以用來設置UV和OV閾值，並根據實際需要選擇工作容差，從而達到最佳運行狀態2。

圖2.時序圖，顯示了UV和OV情況下的複位輸出

然而，選擇窗口監控器並采用最佳使用方式並不容易。適當的容差窗口需要從眾多可用方案中仔細挑選。此外，UV和OV的複位閾值本身也有精度規格。閾值精度通常以百分比表示實際閾值與計算閾值或目標複位閾值的一致程度，它由集成電路(IC)設計中的電阻分壓器和帶隙電路決定4。基準電壓和電阻越穩健
，所能達到的精度就越高。圖3為窗口電壓監控器的容差窗口和閾值精度。UV和OV的實際閾值分別為UV_TH和OV_TH，它們可以在最小值和最大值的精度規格範圍內變化。

圖3.欠壓和過壓閾值變化及其精度規格

電源性能預算通常在係統設計期間確定。對於容差或工作規格為±3％的FPGA內核電壓，可以將±1％分配給電源直流穩壓誤差，±1％分配給輸出紋波電壓
，另外±1%分配給瞬態響應。如果使用精度較差的電源，其穩壓誤差有±2%，那na麼me留liu給gei瞬shun變bian響xiang應ying的de餘yu量liang就jiu會hui更geng少shao。當dang直zhi接jie供gong電dian時shi
，瞬shun態tai響xiang應ying餘yu量liang不bu足zu可ke能neng導dao致zhi瞬shun態tai電dian壓ya超chao出chu內nei核he電dian壓ya規gui格ge窗chuang口kou，從cong而er提ti高gao器qi件jian發fa生sheng故gu障zhang的de風feng險xian。當dang發fa生sheng這zhe種zhong情qing況kuang時shi
，可ke以yi利li用yong窗chuang口kou電dian壓ya監jian控kong器qi將jiangFPGA安全地置於複位模式，從而避免出錯。

選擇合適的容差窗口

shiyongchuangkoudianyajiankongqidechangjiankunnanshiruheshezhihexuanzeshidangderongchachuangkou。yonghuqingxiangyuxuanzerongchayuneihedianyayaoqiuxiangtongdechuangkoudianyajiankongqi。liru
，duiyurongchawei±3%的內核電壓要求，可使用容差窗口為±3%的窗口電壓監控器。受閾值精度影響，選擇與FPGA內核電壓工作要求相同的容差時，在最大過壓閾值OV_TH（最大值）和最小欠壓閾值UV_TH（最小值）附近的任何電壓值都可能會觸發複位輸出，從而導致係統出現故障。在圖4a中zhong，若ruo不bu考kao慮lv閾yu值zhi精jing度du，受shou監jian控kong的de電dian源yuan可ke能neng會hui超chao出chu內nei核he電dian壓ya容rong差cha範fan圍wei
，且qie在zai其qi可ke能neng的de實shi際ji工gong作zuo閾yu值zhi下xia
，電dian源yuan監jian控kong器qi可ke能neng無wu法fa檢jian測ce到dao異yi常chang情qing況kuang。這zhe個ge超chao出chu±3%的電源將供電給微處理器的內核，因此需要選擇更合適的容差窗口。為了避免此類情況的風險
，OV_TH（最大值）和UV_TH（最小值）應設置在內核電壓的±3%容差要求範圍內。然而，由於需要保證精度
，可用電源窗口的一部分會被占用，導致電源工作窗口變小，如圖4b所示。

圖4.窗口電壓監控器容差設置：(a)與內核電壓容差相同；(b)在內核電壓容差範圍內。

圖5.允許的電源窗口和複位響應：(a)低閾值精度；(b)高閾值精度。

圖6.有效工作電源窗口：(a) ±1.5％閾值精度；(b) ±0.3％閾值精度。

閾值精度的影響

考慮使用兩個閾值精度不同的窗口電壓監控器來監控同一內核電壓電源。精度較高的監控器的實際UV和OV閾值相對於預期UV和OV閾值的偏差
，比精度較低的監控器要小。從圖5a可以看出
，較低的閾值精度會導致電源窗口變窄，因為當內核電源電壓處於UV和OV監控範圍內的任何位置時，複位輸出信號都會被觸發。在電源精度低、穩(wen)壓(ya)效(xiao)果(guo)差(cha)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)

，這(zhe)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)敏(min)感(gan)，容(rong)易(yi)發(fa)生(sheng)振(zhen)蕩(dang)。相(xiang)反(fan)
，高(gao)閾(yu)值(zhi)精(jing)度(du)會(hui)拓(tuo)寬(kuan)可(ke)用(yong)電(dian)源(yuan)窗(chuang)口(kou)，確(que)保(bao)電(dian)源(yuan)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)，從(cong)而(er)提(ti)升(sheng)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)，如(ru)圖(tu)5b所示。

圖7.窗口電源監控器MAX16193的典型應用電路
，該器件在整個溫度範圍內都具有非常高的閾值精度，能夠監控MCU的內核和輸入/輸出電源電壓。

圖6顯示了一個例子，使用兩個閾值精度不同的窗口電壓監控器監控±5%容差規格的2.5 V內核電壓。本例中使用的容差窗口並非實際產品提供的選項，而是為了說明閾值精度而選定的。對於圖6a和6b，所用的窗口電壓監控器的閾值精度分別為±1.5%和±0.3%。使用±1.5%的閾值精度時，避免在圖6a所示的故障區域內運行的最佳容差窗口為±3.5%，因此電源工作窗口為100 mV。使用±0.3%的閾值精度時，令電源輸出最大化的最佳容差窗口為±4.7%
，且不存在任何故障風險。設置這些值將提供220 mV的電源工作窗口。精度上的這種差異使工作電源窗口擴大了一倍以上

，從而有效提高了電源性能。

上述計算是通過Window Voltage Monitor Calculator完wan成cheng的de，該gai工gong具ju有you助zhu於yu輕qing鬆song理li解jie和he可ke視shi化hua窗chuang口kou電dian壓ya監jian控kong器qi中zhong的de不bu同tong參can數shu。用yong戶hu還hai可ke以yi檢jian查zha器qi件jian規gui格ge是shi否fou符fu合he設she計ji要yao求qiu，例li如ru電dian源yuan工gong作zuo窗chuang口kou。此ci工gong具ju可ke以yi從cong以yi下xia產chan品pin頁ye麵mian下xia載zai：MAX16138、MAX16191、MAX16193、MAX16132/MAX16133/MAX16134/MAX16135、MAX16137。

為應對越來越低的內核電壓要求，窗口電壓監控器的架構和性能不斷改進

，目前的閾值精度達±1.5％至±0.3％。為了提升精度，可以使用經工廠微調的標稱監控電壓和容差窗口的窗口電壓監控器2,5。MAX16193是一款精度為±0.3%的雙通道監控電路。截至2024年，該器件是在不同溫度下閾值精度最高的窗口電壓監控器。可提供各種經工廠微調的容差窗口（±2％到±5％），以適應工業和汽車應用的不同電源電壓和容差要求。在圖7所示的典型應用電路中，輸入通道1 (IN1)以±0.3%的精度監控0.6 V至0.9 V閾值範圍內的低內核電壓軌，而輸入通道2 (IN2)則以±0.3%的精度監控0.9 V至3.3 V閾值範圍內的較高係統電源軌。

MAX16193的閾值精度在整個工作溫度範圍（-40℃至+125℃）內均保持穩定。圖8a和圖8b表明，對於IN1和IN2兩(liang)個(ge)輸(shu)入(ru)
，該(gai)器(qi)件(jian)的(de)高(gao)閾(yu)值(zhi)精(jing)度(du)在(zai)不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)下(xia)均(jun)表(biao)現(xian)出(chu)色(se)。與(yu)其(qi)他(ta)電(dian)壓(ya)監(jian)控(kong)器(qi)僅(jin)在(zai)特(te)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)表(biao)現(xian)出(chu)最(zui)優(you)性(xing)能(neng)不(bu)同(tong)，該(gai)器(qi)件(jian)在(zai)從(cong)最(zui)低(di)到(dao)最(zui)高(gao)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)的(de)整(zheng)個(ge)範(fan)圍(wei)內(nei)都(dou)能(neng)保(bao)證(zheng)高(gao)精(jing)度(du)。

圖8.(a) IN1和(b) IN2的UV和OV閾值精度隨溫度的變化曲線

結論

為了跟上速度
、功(gong)耗(hao)優(you)化(hua)的(de)需(xu)求(qiu)以(yi)及(ji)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)步(bu)伐(fa)，器(qi)件(jian)的(de)內(nei)核(he)電(dian)壓(ya)越(yue)來(lai)越(yue)低(di)
，容(rong)差(cha)越(yue)來(lai)越(yue)嚴(yan)格(ge)。窗(chuang)口(kou)電(dian)壓(ya)監(jian)控(kong)器(qi)有(you)助(zhu)於(yu)防(fang)止(zhi)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)出(chu)現(xian)嚴(yan)重(zhong)問(wen)題(ti)。然(ran)而(er)，閾(yu)值(zhi)精(jing)度(du)對(dui)於(yu)確(que)保(bao)器(qi)件(jian)在(zai)規(gui)格(ge)窗(chuang)口(kou)內(nei)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)起(qi)著(zhe)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。窗(chuang)口(kou)電(dian)壓(ya)監(jian)控(kong)器(qi)的(de)高(gao)閾(yu)值(zhi)精(jing)度(du)有(you)助(zhu)於(yu)改(gai)善(shan)工(gong)作(zuo)電(dian)源(yuan)窗(chuang)口(kou)，從(cong)而(er)有(you)效(xiao)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)性(xing)能(neng)，防(fang)止(zhi)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)頻(pin)繁(fan)複(fu)位(wei)和(he)係(xi)統(tong)振(zhen)蕩(dang)。

參考文獻

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6“讓產品正常運行——微處理器電源監控器以小封裝提供強大保障”。ADI公司，2001年11月。
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8 Caroline Hayes。“Designing Supply Voltage Supervision for Multirail Boards”。Electronic Specifier，2015年10月。

（來源：ADI公司
，作者: Noel Tenorio
，產品應用經理，Camille Bianca Gomez
，產品應用工程師）

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