提高系统可靠性的电压管理器选

请注意，为了简化，这里的讨论忽略错误监测的准确度。如图6所示，电压管理器报告错误的时间越长，电源电压下降的幅度越大。例如，当电源电压的衰减率为1V/ms，电压管理器的阈值为3.3V-5%。这里有两种情形：

情形1: 错误监测时延为1ms。在这种情况下，电源电压继续往下掉。当处理器被复位时，电源电压可能已降到低于处理器所能容忍的最低电压门限以下。尽管处理器的电压范围要求是3.3V+/-5%，由于错误监测时延为1ms，使得当电源电压下降到2V时，处理器还在执行命令。很显然，高精度的电压监测没有发挥其作用。

情形2: 错误监测时延为50us。由于错误监测时延为50us，当电压管理器输出指示信息时，供给处理器的电源电压已经从门限电压值3.3V-5%再下降50mV。再次强调，在此刻的电压值不能确保处理器的正常工作。

为可靠的错误监测提高门限阈值

现在，将门限电压调整到比3.3V-5%高50mV，当电源电压下降到门限附近时，处理器将被复位。在这种应用例子中，错误监测时延为1ms是不能接受的。但是，对于错误监测时延为50us，需要将门限电压设置在比处理器所能容忍的最低操作电压高50mV。

很明显，为保证系统操作可靠，电压管理器不仅仅要考虑管理器的精度，同时也要考虑错误监测的时延。由于过高的输入电压会造成器件的损坏，为避免损坏器件，对高电压的监测也是很重要的。在这种情况下，对过电压的错误监测速度要比对次电压的错误监测速度更重要。例如，Lattice的ispPAC-POWR1208可以同时监测12路电源电压，错误监测时延为4us。

以上的例子只是考虑到对单电源使用非常精确的电压管理器。在现实情况中，需要监测的电源电压不仅仅只有一种，经常都是多种电压。电压管理器必须具备同时监测多种电源电压的能力，并且要有最小的错误监测时延。

图6：单板错误监测示意图。

增加系统可靠性的其它因素

为了可靠的电源电压错误监测，其他的因素也需要考虑。它们是：

尖脉冲滤波器。单板在实际工作中，电源上通常是有噪声的。这些噪声的产生可能来源于电源的纹波，或者来源于当板上器件工作时的瞬变电流。这些噪声都会引起电压管理器的比较器的随机翻转，为了防止这种情况的发生，电压管理器在输入端有一个尖脉冲滤波器，为门限比较器提供干净的输入。

迟滞。在门限比较器的输入端设置少许的迟滞电压，以此防止当电源电压在门限阈值附近时比较器由于电源噪声引起的多次翻转。

多路电压同时错误监测电路

以下的方案是以Lattice的ispPAC-POWR1208P1为例，探讨电源电压的监测电路。如前面提及到的，该芯片提供的监测精度为0.5%，错误监测时延为4us.

Power1208P1有12个高精度的模拟输入比较器。每路输入都可以单独编程，设置不同的门限(共384个阶梯)，错误监测的精度为0.5%。另外，1208P1还有独立可编程的电压参考以供电源电压监测，4个抗噪声的数字输入端以及4个漏极开路输出，用于系统控制接口，4个片内可编程计数器，1个1MHz的片内振荡器，用于时延控制和16个宏单元的PLD用于实现电源顺序控制功能。并且，较为严重的噪声环境下，Power1208P1也能正常工作，其工作的电压范围从2.7V到5.5V。

图7：用于ATM卡的电源管理方案。

在12路电源电压监测输入端，每路都具备以下特点：

可独立编程门限电压值的比较器：

1. 电压范围从0.68V到5.95V共有384阶梯设置，一个80mV的电源电压放电门限阈值监测。

2. 0.5%门限阈值精度(因工艺和电源电压，温度变化其最大值为0.9%)

高速的错误监测：

1. 当没有尖脉冲滤波器时，错误监测时延为4us

2. 当设置尖脉冲滤波器时，错误监测时延为32us

迟滞电压：

同一个芯片可以用作去监测不同的电源电压，因为每路输入的门限是可编程的。不需要任何附加的外围器件(电阻，电容或抑制尖脉冲的电感)。另外，在Lattice提供的免费PAC-Designer软件里，可以单独设置每一路模拟输入的门限值。

图7所示的电路在ATM端口卡上实现完整的电源管理功能，3.3V和5.0V电源是由背板提供的。所需的电源管理功能如下：

第一步，等待背板的电源稳定。

第二步，为不同的器件产生各自所需的加电顺序。

第三步，当这些电源电压都稳定后，时延一定的时间，释放对处理器的复位信号。

第四步，对所有电源电压进行监测，一旦任何一路电源出现故障，对处理器复位。如果电源故障一直持续，启动单板电源掉电操作。

第五步，根据设计要求完成规定的掉电顺序控制。

在图7中，1208P1芯片同时对7种电源进行监测。根据操作的步骤，处理电源电压错误监测的方法是不同的。片内的CPLD用于控制电源电压管理功能。例如：

在第一步，1208P1检测从背板来的3.3V和5.00V电压。其目的是在打开单板上其他电源电压时确保该两组电压已经稳定，不会产生对处理器的复位信号，其原因是该两组电源电压还在所设定的门限电压值以下。

在第二步，1208P1对每一路电压进行检测，确保正确的上电顺序。如果这个启动的处理过程在规定的时间内没有完成，1208P1将所有电源关掉。

在第三步，精确的错误监测过程开始，在所有电压稳定后，延伸复位脉冲以确保CPU正确启动。精确的监测继续到第四步。

第四步过程表示板上电路工作正常，继续对所有电源电压进行精确的监测。无论是单板上的任何电源出错，或者单板突然从插槽中取出，CPU将被复位。减少CPU由于在低电压的情况下误操作的可能性。

本文小结

为了完成可靠的电源电压错误监测，所需的电压管理器的精度应考虑到电源电压输出的电压偏差范围和器件正常工作的电压容忍范围。除了电压管理器的精度以外，工程师还需要考虑到电压管理器的错误监测时延。

由于1208P1提供12路高精度的模拟输入，并且每一路的门限阈值设置可编程，使设计更灵活和简单。带有迟滞特性和尖脉冲滤波特性的输入使系统更具有抗干扰性，同时错误监测的响应速度极快，ispPAC-POWR1208P1芯片适合于对所有多电源供电的电路板进行电源管理。1208P1的高精度和快速错误监测能力，可最大化地增加电源电压容忍范围，能用低成本的电源而同时保持高的系统可靠性。由于每一路被监测的输入错误门限是可编程的，因此一个器件可以用于同时监测各种的电源电压。另外，片内CPLD的逻辑功能可以完成单板所有的电源管理。基于图形化的设计软件使电源管理器功能的完成变得非常方便和易用。

作者：hyam Chandra

Lattice半导体公司

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