Obwohl die meisten Schaltregler nicht perfekt sind, erfordert dieser Trend bei den Kernspannungen eine sehr präzise Stromversorgung für den ordnungsgemäßen Betrieb.⁽¹⁾ Spannungsfensterüberwachungen tragen dazu bei, dass Geräte mit den korrekten Kernspannungspegeln arbeiten; die Genauigkeit des Wertes oder Grenzwerts ist jedoch ein wichtiger Faktor für die Maximierung des nutzbaren Leistungsfensters.⁽²⁾

Dieser Artikel erläutert, wie die Verwendung eines hochpräzisen Spannungsfenstermonitors die Ausgangsleistung des Netzteils maximiert. Durch die Verbesserung des nutzbaren Spannungsfensters für die Kernspannungen des Geräts wird der Betrieb innerhalb des zulässigen Versorgungsspannungsbereichs sichergestellt.

Einführung

Der Stromverbrauch digitaler Schaltungen ist ein wichtiges Thema, da die Nachfrage nach tragbaren und batteriebetriebenen Geräten rasant steigt. Rechenprozesse und Datenverarbeitung werden immer komplexer und erfordern schnellere Bauelemente wie FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) und andere Prozessorchips. Komplexe Prozesse benötigen mehr Energie, was wiederum zu einer Überhitzung der schnellen Chips führt. Abbildung 1 zeigt, dass der Trend in der Prozesstechnologie in Richtung Miniaturisierung der Bauelemente im Nanometerbereich geht. Dies erfordert eine entsprechende Reduzierung der Betriebsspannungen, optimiert die Verarbeitungsgeschwindigkeit und verlängert die Lebensdauer der Bauelemente.³

Im Zuge der Optimierung technologischer Prozesse werden hochpräzise Stromversorgungen benötigt. Wird die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Stromversorgungen nicht berücksichtigt, können Risiken für die Systemleistung entstehen. Da die meisten Regler nicht präzise genug sind, besteht bei einem Absinken der Kernspannung unter die Betriebsanforderungen die Gefahr von Fehlern in den Verarbeitungseinheiten (z. B. FPGAs). Im Dauerbetrieb kann eine Überschreitung der maximalen Betriebsspannung den FPGA beschädigen und zu Logikausfällen führen. All diese Risiken können durch Lastbedingungen, Betriebstemperatur und Alterung bedingt sein (1). Obwohl in den meisten Beispielen dieses Artikels FPGAs erwähnt werden, gilt dasselbe Prinzip auch für andere Rechen- und Verarbeitungseinheiten.

Abbildung 1. Die Versorgungsspannungen integrierter Schaltungen sinken mit der Weiterentwicklung des technologischen Prozesses.³

Toleranzen

Bei der Entwicklung und Überwachung von Stromversorgungen für Computer- und Prozessorchips ist der Toleranz besondere Aufmerksamkeit zu widmen, da sie je nach Betrachtungsweise unterschiedlich bewertet werden kann. In diesem Artikel definieren wir die einzelnen Toleranzen in den folgenden Abschnitten.

Kernspannungstoleranz ​

Die Kernspannungstoleranz entspricht den Spezifikationen der Stromversorgung des Prozessorkerns. Tabelle 1 zeigt beispielhaft die Kernspannungsspezifikationen für den Altera Arria 10 FPGA. Der minimale und maximale Toleranzbereich beträgt ±3,3 % des Nennwerts. Ein Betrieb unterhalb des minimalen oder oberhalb des maximalen Toleranzbereichs führt zu Leistungseinbußen. Für optimale Leistung und geringen Stromverbrauch ist eine engere Toleranz erforderlich.

Tabelle 1. Spannungsspezifikation für Altera Arria 10-Kern

Toleranz des Netzteils

Die Toleranz eines Netzteils beschreibt dessen Abweichung bzw. Regelgenauigkeit. Eine enge Toleranz erfordert eine sorgfältige Auslegung. Sie kann sich jedoch im Laufe der Zeit durch verschiedene externe Faktoren, wie z. B. Bauteilalterung, verändern. In der Anwendung muss diese Toleranz innerhalb der Toleranz der Kernspannung liegen. Jede Abweichung des Netzteilausgangs kann Probleme für Verarbeitungs- und Rechengeräte, wie z. B. FPGAs, verursachen. Ein Regler mit angegebener Toleranz arbeitet möglicherweise nicht exakt im Bereich der spezifizierten Ausgangsspannung, sondern lediglich innerhalb des Regelbereichs. Dies kann auf Gleichstromfehler zurückzuführen sein, die durch den Standardwert der im Rückkopplungszweig verwendeten Widerstände (mit inhärenter Toleranz) sowie durch die Robustheit der Referenzspannung und die Optimierung der Rückkopplungskompensation verursacht werden. Betrachten wir beispielsweise einen FPGA, dessen Kernspannung von einem Schaltregler versorgt wird. Dieser Schaltregler mit einer angegebenen Toleranz von ±2 % kann innerhalb des 4-%-Fensters arbeiten. Er kann unter dem Nennwert liegen, aber immer noch innerhalb von -2 %, wodurch ein FPGA einem Risiko von Timing-Problemen ausgesetzt ist. Oder der Wert liegt nahe an der +2%-Grenze, was zwar die FPGA-Anforderungen erfüllt, aber nicht optimal ist und Energie verschwendet. Wird dies nicht überprüft, kann das Gerät außerhalb der empfohlenen Spannungsbereiche arbeiten, was zu schwerwiegenderen Problemen führen kann und daher vermieden werden sollte.

Toleranz des Fensteraufsichtspersonals

Die Toleranz des Spannungsüberwachungsfensters legt die Unterspannungs- (UV) und Überspannungsschwellenwerte (OV) als Prozentsatz des Nennwerts fest. Bei einem Spannungsüberwachungsfenster mit einer Nennspannung von 1 V und einem Toleranzfenster von ±3 % beträgt der UV-Schwellenwert 1 V × 0,97 und der OV-Schwellenwert 1 V × 1,03. Diese Schwellenwerte (UV und OV) weisen jedoch jeweils eigene Toleranzen auf, die als Schwellenwertgenauigkeit bezeichnet werden.

Verwendung von Fensterspannungsmonitoren

Ein Spannungsüberwachungsfenster stellt sicher, dass Geräte innerhalb ihres spezifizierten Spannungsbereichs arbeiten, indem es Unterspannungs- (UV) und Überspannungsschwellenwerte (OV) festlegt. Es gibt ein Reset-Signal aus, wenn die Versorgungsspannung diese Grenzen überschreitet. Dies trägt dazu bei, Systemfehler zu vermeiden und elektronische Geräte vor potenziellen Schäden zu schützen. Das Zeitdiagramm in Abbildung 2 zeigt, wie ein Reset-Ausgang generiert wird, wenn eine überwachte Spannung unter die UV-Schwelle fällt oder die OV-Schwelle überschreitet. Für die Festlegung der UV- und OV-Schwellenwerte sowie die Auswahl der Betriebstoleranz für eine optimale Leistung stehen verschiedene Architekturoptionen für Spannungsüberwachungsfenster zur Verfügung.²

Abbildung 2. Zeitdiagramm, das einen Reset-Ausgang im Fall von UV und OV zeigt.

Die Auswahl und optimale Nutzung eines Fenstermonitors ist jedoch komplexer als es zunächst scheint. Das geeignete Toleranzfenster muss sorgfältig aus einer Reihe verfügbarer Optionen ausgewählt werden. Darüber hinaus weisen die Rücksetzgrenzen für Unterspannung (UV) und Überspannung (OV) eigene Genauigkeitsvorgaben auf. Die Schwellwertgenauigkeit, üblicherweise in Prozent angegeben, beschreibt, inwieweit der tatsächliche Rücksetzschwellenwert mit dem berechneten oder Zielschwellenwert übereinstimmt. Dieser wird durch einen Spannungsteiler und eine Bandgap-Schaltung im integrierten Schaltkreis (IC) bestimmt (4). Je robuster die Referenzspannung und die Widerstände sind, desto höher ist die erreichbare Genauigkeit. Abbildung 3 veranschaulicht das Toleranzfenster und die Schwellwertgenauigkeit eines Fensterspannungsmonitors. Die tatsächlichen UV- und OV-Schwellenwerte, UV_TH bzw. OV_TH, können innerhalb der minimalen und maximalen Genauigkeitsvorgaben variieren.

Abbildung 3. Variation der Unterspannungs- und Überspannungsgrenze bzw. des Schwellenwerts mit ihrer Genauigkeitsspezifikation.

Die Leistungsberechnungen der Stromversorgung werden häufig während des Systemdesigns durchgeführt. Bei einer FPGA-Kernspannung mit einer Betriebstoleranz bzw. Spezifikation von ±3 % können ±1 % für den Regelfehler der Stromversorgung, ±1 % für die Restwelligkeit der Ausgangsspannung und weitere ±1 % für das Einschwingverhalten eingeplant werden. Die Verwendung einer Stromversorgung mit einem Regelfehler von ±2 % lässt weniger Spielraum für Einschwingvorgänge. Dies erhöht das Risiko von Fehlfunktionen des Geräts bei direkter Stromversorgung, da Einschwingvorgänge außerhalb des spezifizierten Spannungsbereichs der Kernspannung liegen können. Fehler lassen sich vermeiden, indem Spannungsüberwachungsmodule eingesetzt werden, die den FPGA in diesem Fall sicher in den Reset-Modus versetzen.

Auswahl des geeigneten Toleranzfensters

Eine häufige Schwierigkeit bei der Verwendung eines Spannungsüberwachungsfensters besteht darin, das geeignete Toleranzfenster einzustellen und auszuwählen. Anwender neigen dazu, ein Spannungsüberwachungsfenster mit der gleichen Toleranz wie die Kernspannungsanforderung zu wählen. Beispielsweise wird ein Spannungsüberwachungsfenster mit einem Toleranzfenster von ±3 % für eine Kernspannungsanforderung mit einer Toleranz von ±3 % verwendet. Aufgrund der Genauigkeit der Schwellenwerte kann die Wahl der gleichen Toleranz wie die Betriebsspannung des FPGA-Kerns einen Reset-Ausgang in der Nähe des maximalen Überspannungsschwellenwerts OV_TH(max) und des minimalen Unterspannungsschwellenwerts UV_TH(min) auslösen, was potenziell zu Fehlfunktionen führen kann. In Abbildung 4a könnte die überwachte Stromversorgung die Kernspannungstoleranz überschreiten und vom Überwachungsfenster an ihrem tatsächlichen Betriebsschwellenwert möglicherweise nicht erkannt werden, wenn die Genauigkeit der Schwellenwerte nicht berücksichtigt wird. Diese Stromversorgung, die ±3 % überschreitet, wird an einen Mikroprozessorkern geliefert, daher muss ein geeigneteres Toleranzfenster gewählt werden. Um die Risiken eines solchen Zustands zu vermeiden, müssen die Werte für OV_TH(max) und UV_TH(min) innerhalb der ±3 % Kernspannungstoleranz eingestellt werden. Allerdings wird ein Teil des nutzbaren Stromversorgungsfensters aus Genauigkeitsgründen "verdaut", was zu einem reduzierten Stromversorgungsbetriebsfenster führt, wie in Abbildung 4b dargestellt.

Abbildung 4. Toleranzeinstellung des Fensterspannungsmonitors (a) gleich der Kernspannungstoleranz und (b) innerhalb der Kernspannungstoleranz.

Abbildung 5. Zulässiges Leistungsfenster und Rücksetzverhalten (a) bei niedriger Schwellenwertgenauigkeit und (b) bei hoher Schwellenwertgenauigkeit.

Abbildung 6. Effektives Betriebsspannungsfenster bei (a) ±1,5% Schwellwertgenauigkeit und (b) ±0,3% Schwellwertgenauigkeit.

Der Einfluss der Schwellenwertgenauigkeit

Betrachten wir zwei Fensterspannungsmonitore mit unterschiedlichen Schwellenwertgenauigkeiten, die dieselbe Kernspannungsversorgung überwachen. Die tatsächlichen UV- und OV-Schwellenwerte des genaueren Monitors weichen weniger von den erwarteten Werten ab als die des weniger genauen Monitors. Abbildung 5a zeigt, dass eine geringere Schwellenwertgenauigkeit ein engeres Versorgungsfenster ermöglicht, da das Reset-Ausgangssignal ausgelöst wird, sobald die Kernversorgungsspannung innerhalb des UV- und OV-Überwachungsbereichs liegt. In Anwendungen mit einer ungenauen Stromversorgung und schlechter Regelung kann dies zu einem empfindlicheren und schwingungsanfälligeren System führen. Eine hohe Schwellenwertgenauigkeit hingegen ermöglicht ein breiteres nutzbares Versorgungsfenster und verbessert so die Systemleistung durch einen stabileren Betrieb (siehe Abbildung 5b).

Abbildung 7. Typischer Anwendungsschaltkreis des MAX16193, des branchenweit präzisesten Fenstermonitors für die Überwachung der Kerntemperatur und der Eingangs-/Ausgangsversorgungsspannung eines Mikrocontrollers.

Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für die Überwachung einer 2,5-V-Kernspannung mit einer Toleranzvorgabe von ±5 % mithilfe zweier Spannungsüberwachungsgeräte mit unterschiedlichen Schwellwertgenauigkeiten. Die in diesem Beispiel verwendeten Toleranzfenster entsprechen möglicherweise nicht den aktuell verfügbaren Optionen, wurden aber unter Berücksichtigung der Schwellwertgenauigkeit gewählt. Das verwendete Spannungsüberwachungsgerät weist in Abbildung 6a eine Schwellwertgenauigkeit von ±1,5 % und in Abbildung 6b eine von ±0,3 % auf. Bei einer Schwellwertgenauigkeit von ±1,5 % beträgt das optimale Toleranzfenster zur Vermeidung eines Fehlfunktionsbereichs (siehe Abbildung 6a) ±3,5 %. Dies ergibt ein Betriebsfenster des Netzteils von 100 mV. Bei einer Schwellwertgenauigkeit von ±0,3 % beträgt das optimale Toleranzfenster zur Maximierung der Leistung des Netzteils ±4,7 % ohne Fehlfunktionsrisiko. Mit diesen angepassten Werten ergibt sich ein Betriebsfenster von 220 mV. Dieser Genauigkeitsunterschied verdoppelt das Betriebsfenster des Netzteils und maximiert somit dessen Leistung.

Die obigen Berechnungen wurden mit dem Calculator . Dieses Tool hilft Ihnen, die verschiedenen Parameter eines Fensterspannungsmonitors leicht zu verstehen und zu visualisieren. Es ermöglicht Ihnen außerdem zu prüfen, ob die Gerätespezifikationen den Designanforderungen, wie z. B. dem Betriebsfenster des Netzteils, entsprechen. Sie können dieses Tool auf den folgenden Produktseiten herunterladen: MAX16138, MAX16191, MAX16193, MAX16132/MAX16133/MAX16134/MAX16135, MAX16137.

Durch die kontinuierliche Verbesserung der Architektur und Leistung von Fensterspannungsmonitoren zur Erfüllung immer geringerer Kernspannungsanforderungen können Schwellwertgenauigkeiten nun von ±1,5 % bis ±0,3 % erreicht werden. Der MAX16193, ein Zweikanal-Monitorschaltkreis mit einer Genauigkeit von ±0,3 %, ist der branchenweit beste Schwellwertspannungsmonitor über einen breiten Temperaturbereich (Stand: 2024). Er verfügt über verschiedene werkseitig voreingestellte Toleranzfenster von ±2 % bis ±5 %, um unterschiedliche Versorgungsspannungen und Toleranzen für industrielle und automobile Anwendungen abzudecken. In der typischen Anwendungsschaltung von Abbildung 7 überwacht Eingangskanal 1 (IN1) die Niederspannungsschienen des Kerns in einem Schwellwertbereich von 0,6 V bis 0,9 V mit einer Genauigkeit von ±0,3 %, während Eingangskanal 2 (IN2) die höheren Schienen des Systems in einem Schwellwertbereich von 0,9 V bis 3,3 V mit einer Genauigkeit von ±0,3 % überwacht.

Die Genauigkeitsangabe des MAX16193 gilt für alle Temperaturen im Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C. Abbildung 8a und 8b zeigen, dass die hohe Genauigkeit des Bauteils für die beiden Eingänge IN1 und IN2 bei unterschiedlichen Temperaturen erhalten bleibt. Während andere Spannungsmonitore nur in einem bestimmten Bereich optimal arbeiten, gewährleistet dieses Bauteil hohe Genauigkeit vom minimalen bis zum maximalen Betriebstemperaturbereich.

Abbildung 8. Genauigkeitsgraphen der UV- und OV-Schwellenwerte als Funktion der Temperatur für (a) IN1 und (b) IN2.

Abschluss

Um mit den Anforderungen an Geschwindigkeit und Leistungsoptimierung Schritt zu halten und in Verbindung mit Fortschritten in der Prozesstechnologie werden die Kernspannungen von Bauelementen immer niedriger und die Toleranzen immer enger. Spannungsüberwachungssysteme helfen, schwerwiegende Probleme in diesen Bauelementen zu vermeiden. Die Genauigkeit der Schwellenwerte spielt dabei eine entscheidende Rolle für den Betrieb innerhalb des spezifizierten Bereichs des Bauelements. Die hohe Genauigkeit der Schwellenwerte von Spannungsüberwachungssystemen trägt dazu bei, die Leistung des Netzteils zu maximieren, indem der Betriebsspannungsbereich optimiert wird. Dadurch werden häufige ungewollte Neustarts und Systemoszillationen verhindert.

Referenzen

1Nathan Enger. „Pflege und Versorgung von FPGA-Stromversorgungen: Ein Leitfaden für den Erfolg.“ Analog Dialogue, Bd. 52, Nr. 11, November 2018.

2Camille Bianca Gómez und Noel Tenorio. „Optimieren Sie Ihr Systemdesign mit dem richtigen Fensterspannungsmonitor.“ Analog Dialogue, Band 58, Nr. 3, September 2024.

3Mohammed Mahaboob Basha, Kota Venkata Ramanaiah und Palakolanu Ramana Reddy. „Entwurf einer 10T-Full- Subtraktionsschaltung nahe der Schwelle für energieeffiziente Signalverarbeitungsanwendungen. “ International Journal of Image Processing, Graphics &

4Noel Tenorio. „Wie Spannungsüberwachungssysteme mitStörungen und Ausfällen .“ Analog Dialogue, Band 57, Nr. 4, November 2023.

5 „Spannungsüberwachungs- und -steuerungsgeräte – Produkt- Highlights“. Analog Devices, Inc.

6 „Produktbetrieb aufrechterhalten – Mikroprozessor-Supervisoren bieten große Sicherheit in kleinen Paketen.“ Analog Devices, Inc., November 2001.

7 Pinkesh Sachdev. „ FPGA Power System Management Design Note “. Analog Devices, Inc., März 2020.

8 Caroline Hayes. „Entwurf zur Versorgungsspannungsüberwachung für Multirail-Leiterplatten“. Electronic Specifier, Oktober 2015.

Über die Autoren

Noel Tenorio ist Produktmanager für Anwendungen im Bereich Hochleistungsüberwachung und Energiemanagement für verschiedene Märkte bei Analog Devices Philippines. Er kam im August 2016 zu ADI. Zuvor war er sechs Jahre als Entwicklungsingenieur in einem Forschungs- und Entwicklungsunternehmen für Schaltnetzteile tätig. Er besitzt einen Bachelor-Abschluss in Elektronik und Kommunikationstechnik von der Batangas State University, einen Master-Abschluss in Elektrotechnik mit Schwerpunkt Leistungselektronik sowie einen Master-Abschluss in Elektronik von der Mapua University. Bevor er sich dem Bereich Überwachungsprodukte zuwandte, spielte er eine Schlüsselrolle im Anwendungssupport für thermoelektrische Kühlschranksteuerungen.

Camille Bianca Gomez ist Anwendungsingenieurin bei Multimarket Power-East. Sie arbeitet seit März 2022 bei Analog Devices und hat einen Abschluss in Elektrotechnik von der Universidad De La Salle-Campus de La Laguna. Zuvor war sie dreieinhalb Jahre als Entwicklungsingenieurin bei einem Automobilhersteller tätig und konzentriert sich nun auf Produktentwicklung und -support.