Embora a maioria dos reguladores de comutação não sejam perfeitos, esta tendência nas tensões do núcleo exige uma fonte de alimentação muito precisa para um funcionamento adequado.⁽¹⁾ Os monitores de tensão de janela ajudam a garantir que os dispositivos operam nos níveis de tensão do núcleo corretos; no entanto, a precisão do valor ou limite é um fator importante para maximizar a janela de potência utilizável.²

Este artigo explica como a utilização de um monitor de tensão de janela de alta precisão maximiza a saída da fonte de alimentação. Ao melhorar a janela de tensão de alimentação utilizável para as tensões do núcleo do dispositivo, garante-se o funcionamento dentro da gama de alimentação de funcionamento válida.

Introdução

O consumo de energia dos circuitos digitais é uma grande preocupação, dado que a procura por dispositivos portáteis e alimentados por bateria está a aumentar drasticamente. A computação e o processamento estão a tornar-se cada vez mais complexos, exigindo dispositivos mais rápidos, como FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) e outros chips de processamento. Os processos complexos requerem mais energia, o que, por sua vez, provoca o sobreaquecimento dos chips rápidos. A Figura 1 mostra que a tendência na tecnologia de processos é a redução das dimensões dos dispositivos para a escala nanométrica, o que exige uma redução correspondente das tensões de operação, otimizando a velocidade de processamento e prolongando a vida útil dos dispositivos. 3

Com esta tendência de otimização dos processos tecnológicos, são necessárias fontes de alimentação de elevada precisão. Se o desempenho real das fontes de alimentação não for tido em conta, podem surgir riscos para o desempenho do sistema. Como a maioria dos reguladores não é suficientemente precisa, se a tensão do núcleo descer abaixo dos requisitos operacionais, os dispositivos de processamento (FPGAs, por exemplo) correm o risco de falhar devido a erros. E, com o funcionamento contínuo, se a tensão do núcleo exceder o requisito máximo de funcionamento, pode danificar o FPGA e causar falhas que interrompem o funcionamento da lógica. Todos estes riscos podem ser causados ​​pelas condições de carga, temperatura de funcionamento e envelhecimento (1). Embora os FPGAs sejam mencionados na maioria dos exemplos deste artigo, o mesmo princípio se aplica a outros dispositivos de computação e processamento.

Figura 1. As tensões de alimentação dos circuitos integrados diminuem com a evolução do processo tecnológico.³

Tolerâncias

A tolerância exige uma atenção cuidadosa no design e monitorização de fontes de alimentação para chips de computação e processamento, uma vez que pode ser tratada de forma diferente dependendo da perspetiva. Neste artigo, definimos cada tipo de tolerância nas secções seguintes.

tolerância de tensão do núcleo

A tolerância da tensão do núcleo corresponde às especificações da fonte de alimentação do núcleo do dispositivo de computação. A Tabela 1 mostra as especificações da tensão do núcleo para o FPGA Altera Arria 10 como exemplo. O intervalo de tolerância mínima e máxima é de ±3,3% do valor nominal. A operação deste dispositivo abaixo do mínimo padrão ou acima do máximo causará problemas de desempenho. É necessária uma tolerância mais restrita para um desempenho ideal e um baixo consumo de energia.

Tabela 1. Especificações de tensão do Altera Arria 10 Core

tolerância da fonte de alimentação

A tolerância da fonte de alimentação refere-se ao desvio ou à capacidade de regulação da saída da fonte. Obter uma tolerância rigorosa na fonte de alimentação exige um design especializado. No entanto, esta tolerância pode variar ao longo do tempo devido a diversos fatores externos, como a degradação dos componentes. Na aplicação, esta tolerância da fonte de alimentação deve estar dentro da tolerância da tensão do núcleo. Qualquer operação da saída da fonte de alimentação pode causar problemas ao dispositivo de processamento e computação, como nos FPGAs. Um regulador com uma tolerância declarada pode não operar exatamente no centro da especificação de regulação da tensão de saída, mas sim dentro da gama de regulação. Isto pode ocorrer devido a erros CC causados ​​pelo valor padrão dos resistores utilizados no circuito de realimentação, que tem uma tolerância inerente, bem como pela robustez da tensão de referência e pela otimização da compensação do circuito de realimentação. Considere-se, como exemplo, um FPGA cuja tensão do núcleo é fornecida por um regulador de comutação. Este conversor de comutação, com uma tolerância declarada de ±2%, pode operar em qualquer ponto dentro da janela de 4%. Pode estar abaixo do valor nominal, mas ainda dentro de -2%, colocando assim o FPGA em risco de problemas de temporização. Ou pode estar perto do limite de +2%, o que ainda pode satisfazer os requisitos do FPGA, mas não é o ideal e desperdiça energia. Se não for verificado, o dispositivo pode acabar por funcionar fora dos níveis de tensão recomendados, o que pode levar a problemas mais graves e deve ser evitado.

Tolerância do supervisor de janela

A tolerância do monitor de janela, ou janela de tolerância, define os limites de subtensão (UV) e sobretensão (OV) como uma percentagem do valor nominal. Para um monitor de tensão de janela com uma tensão nominal de 1 V e uma janela de tolerância de ±3%, o limite de UV é definido em 1 V × 0,97 e o limite de OV em 1 V × 1,03. No entanto, estes limites, UV e OV, têm as suas próprias tolerâncias, conhecidas como precisão do limite.

Utilização de monitores de tensão de janela

Um monitor de tensão de janela garante que os dispositivos operam dentro da gama de tensão especificada, estabelecendo limites de subtensão (UV) e sobretensão (OV). Emite um sinal de reset se a tensão de alimentação cair fora destes limites, ajudando a prevenir erros do sistema e protegendo os dispositivos eletrónicos contra possíveis danos. O diagrama de tempo da Figura 2 mostra como é gerada uma saída de reset quando a tensão monitorizada cai abaixo do limite de UV ou excede o limite de OV. Estão disponíveis diversas opções de arquitetura de monitor de tensão de janela para definir os limites de UV e OV e selecionar a tolerância de funcionamento para um desempenho ideal.²

Figura 2. Diagrama temporal que mostra uma saída de reset nos casos de UV e OV.

No entanto, escolher e utilizar de forma otimizada um monitor de janela não é tão simples como parece. A janela de tolerância adequada deve ser cuidadosamente selecionada de entre as opções disponíveis. Além disso, os limites de reinicialização para UV e OV têm as suas próprias especificações de precisão. A precisão do limiar, geralmente expressa em percentagem, é o grau em que o limiar de reinicialização real corresponde ao limiar calculado ou alvo, que é determinado por um divisor resistivo e um circuito bandgap no projeto do circuito integrado (CI) (4). Quanto mais robustas forem a tensão de referência e os resistores, maior será a precisão alcançável. A Figura 3 ilustra a janela de tolerância e a precisão do limiar de um monitor de tensão de janela. Os limiares reais de UV e OV, UV_TH e OV_TH, respetivamente, podem variar dentro das especificações de precisão mínima e máxima.

Figura 3. Variação do limite ou limiar de subtensão e sobretensão com a sua especificação de precisão.

Os cálculos de desempenho da fonte de alimentação são frequentemente realizados durante o projeto do sistema. Para uma tensão de núcleo de FPGA com uma tolerância ou especificação operacional de ±3%, pode ser alocado ±1% para o erro de regulação CC da fonte de alimentação, ±1% para a ondulação da tensão de saída e outros ±1% para a resposta transitória. A utilização de uma fonte de alimentação com um erro de regulação de ±2% deixará menos margem para transitórios. Isto aumenta o risco de avaria do dispositivo quando alimentado diretamente, uma vez que os transitórios podem ficar fora da gama de especificação da tensão do núcleo. Os erros podem ser evitados utilizando monitores de tensão de janela para colocar o FPGA em modo de reset em segurança quando tal ocorrer.

Escolher a janela de tolerância adequada

Uma das dificuldades comuns quando se utiliza um monitor de tensão de janela é configurar e selecionar a janela de tolerância adequada. Os utilizadores tendem a escolher um monitor de tensão de janela com a mesma tolerância que o requisito de tensão do núcleo. Por exemplo, é utilizado um monitor de tensão de janela com uma janela de tolerância de ±3% para um requisito de tensão do núcleo que também tem uma tolerância de ±3%. Devido à precisão do limiar, a escolha da mesma tolerância que o requisito de tensão de funcionamento do núcleo do FPGA pode desencadear uma saída de reset em qualquer ponto próximo do limiar máximo de sobretensão OV_TH(max) e do limiar mínimo de subtensão UV_TH(min), levando potencialmente a uma falha. Na Figura 4a, a fonte de alimentação monitorizada pode exceder a tolerância da tensão do núcleo e pode não ser detetada pelo monitor no seu limiar de funcionamento real se a precisão do limiar não for tida em conta. Esta fonte de alimentação que exceda ±3% será fornecida a um núcleo de microprocessador, pelo que deve ser selecionada uma janela de tolerância mais apropriada. Para evitar os riscos desta condição, os valores de OV_TH(max) e UV_TH(min) devem ser definidos dentro do requisito de tolerância de ±3% da tensão do núcleo. No entanto, uma parte da janela de alimentação utilizável será "reduzida" para maior precisão, resultando numa janela de operação da fonte de alimentação mais pequena, como mostrado na Figura 4b.

Figura 4. Configuração da tolerância do monitor de tensão da janela (a) igual à tolerância da tensão do núcleo e (b) dentro da tolerância da tensão do núcleo.

Figura 5. Janela de potência permitida e resposta de reinicialização (a) com baixa precisão de limiar e (b) com alta precisão de limiar.

Figura 6. Janela de alimentação de energia operacional efetiva com precisão limite de (a) ±1,5% e (b) ±0,3%.

O impacto da precisão do limiar

Considere dois monitores de tensão de janela com diferentes precisões de limiar, monitorizando a mesma tensão de alimentação do núcleo. Os limiares reais de UV e OV do monitor mais preciso desviam-se menos dos valores esperados de UV e OV do que os do monitor menos preciso. Na Figura 5a, pode-se observar que uma menor precisão de limiar proporciona uma janela de alimentação mais estreita, dado que o sinal de reset será acionado quando a tensão de alimentação do núcleo estiver em qualquer ponto dentro da gama de monitorização de UV e OV. Em aplicações com uma fonte de alimentação de baixa precisão e uma regulação deficiente, isto pode resultar num sistema mais sensível e propenso a oscilações. Por outro lado, uma elevada precisão de limiar proporciona uma janela de alimentação utilizável mais ampla, melhorando o desempenho do sistema ao permitir um funcionamento mais estável, como mostra a Figura 5b.

Figura 7. Circuito de aplicação típico do MAX16193, o monitor de janela com a maior precisão de limiar do setor, que monitoriza a temperatura do núcleo e a tensão de alimentação de entrada/saída de um MCU.

A Figura 6 ilustra um exemplo de monitorização de uma tensão de núcleo de 2,5 V com uma especificação de tolerância de ±5% utilizando dois monitores de tensão de janela com diferentes precisões de limiar. A janela de tolerância utilizada neste exemplo pode não ser a opção realmente disponível, mas foi escolhida para ter em conta a precisão do limiar. O monitor de tensão de janela utilizado tem uma precisão de limiar de ±1,5% e ±0,3% para as Figuras 6a e 6b, respetivamente. Quando se utiliza uma precisão de limiar de ±1,5%, a janela de tolerância ideal para evitar o funcionamento numa região de avaria, apresentada na Figura 6a, é de ±3,5%. Isto resulta numa janela de operação da fonte de alimentação de 100 mV. Com uma precisão de limiar de ±0,3%, a janela de tolerância ideal que maximiza a fonte de alimentação é de ±4,7% sem risco de avaria. Estes valores ajustados darão à fonte de alimentação uma janela de funcionamento de 220 mV. Esta diferença na precisão mais do que duplica a janela de operação da fonte de alimentação, maximizando o seu desempenho.

Os cálculos acima foram obtidos através da Calculadora , uma ferramenta que o ajuda a compreender e visualizar facilmente os vários parâmetros de um monitor de tensão de janela. Permite também que os utilizadores verifiquem se as especificações do dispositivo cumprem os requisitos de projeto, como a gama de operação da fonte de alimentação. Esta ferramenta está disponível para download nas seguintes páginas de produtos: MAX16138, MAX16191, MAX16193, MAX16132/MAX16133/MAX16134/MAX16135, MAX16137.

Com a melhoria contínua da arquitetura e do desempenho dos monitores de tensão de janela para satisfazer as exigências cada vez menores de tensão do núcleo, as precisões de limiar podem agora variar de ±1,5% a ±0,3%. O MAX16193, um circuito monitor de canal duplo com uma precisão de ±0,3%, é o monitor de tensão de limiar mais preciso do mercado numa vasta gama de temperaturas até 2024. Apresenta uma variedade de janelas de tolerância pré-cortadas de fábrica, de ±2% a ±5%, para acomodar diferentes tensões de alimentação e tolerâncias para aplicações industriais e automóveis. No circuito de aplicação típico da Figura 7, o canal de entrada 1 (IN1) monitoriza os carris de baixa tensão do núcleo numa gama de limiar de 0,6 V a 0,9 V com uma precisão de ±0,3%, enquanto o canal de entrada 2 (IN2) monitoriza os carris de alta tensão do sistema numa gama de limiar de 0,9 V a 3,3 V com uma precisão de ±0,3%.

A especificação de precisão de limiar do MAX16193 é válida para todas as temperaturas dentro do intervalo de funcionamento de -40 °C a +125 °C. As Figuras 8a e 8b mostram que a elevada precisão de limiar do dispositivo para as duas entradas IN1 e IN2 se mantém a diferentes temperaturas. Enquanto outros monitores de tensão apresentam um desempenho ideal apenas dentro de uma gama específica, este dispositivo garante uma elevada precisão desde a temperatura mínima até à máxima de funcionamento.

Figura 8. Gráficos de precisão dos limiares UV e OV em função da temperatura para (a) IN1 e (b) IN2.

Conclusão

Para acompanhar a procura de velocidade e otimização de energia, e em conjunto com os avanços na tecnologia de processos, as tensões do núcleo dos dispositivos estão a tornar-se cada vez menores e as tolerâncias cada vez mais rigorosas. Os monitores de tensão das janelas ajudam a prevenir problemas graves nestes dispositivos. No entanto, a precisão do limiar desempenha um papel crucial na operação dentro da janela de especificação do dispositivo. A elevada precisão do limiar dos monitores de tensão de janela ajuda a maximizar o desempenho da fonte de alimentação, melhorando a janela de operação da fonte e, assim, prevenindo reinicializações indesejadas frequentes e oscilações do sistema.

Referências

1Nathan Enger. "Cuidar e alimentar as fontes de alimentação dos FPGAs: um guia prático para o sucesso." Diálogo Analógico, vol. 52, nº 11, novembro de 2018.

2Camille Bianca Gómez e Noel Tenorio. "Otimize o design do seu sistema com o monitor de tensão de janela correto." Analog Dialogue, Vol. 58, nº 3, Setembro 2024.

3Mohammed Mahaboob Basha, Kota Venkata Ramanaiah e Palakolanu Ramana Reddy. " Projecto de um circuito subtrator 10T-Full próximo do limiar para aplicações de processamento de sinal energeticamente eficiente ." International Journal of Image Processing, Graphics &

4Noel Tenório. "Como os supervisores de tensão lidam com o ruído e as falhas na fonte de alimentação ." Analog Dialogue , Vol. 57, N.º 4, Novembro 2023.

5 "do produto: Monitores e supervisores de tensão ." Analog Devices, Inc.

6 "Mantenha o produto a funcionar - Os supervisores de microprocessadores oferecem uma grande segurança em pequenos pacotes." Analog Devices, Inc., Novembro de 2001.

7 Pinkesh Sachdev. "Nota de projeto de gestão". Analog Devices, Inc., março de 2020.

8 Carolina Hayes. "Projecto de monitorização da tensão de alimentação para placas multirail". Electronic Specifier, outubro de 2015.

Sobre os autores

Noel Tenorio é Gestor de Aplicações de Produtos para monitorização de alto desempenho e gestão de energia para múltiplos mercados na Analog Devices Filipinas. Ingressou na ADI em agosto de 2016. Antes de trabalhar na ADI, desempenhou funções de engenheiro de projeto numa empresa de investigação e desenvolvimento de fontes de alimentação comutada durante seis anos. É licenciado em engenharia eletrónica e de comunicações pela Universidade Estadual de Batangas, tem uma pós-graduação em engenharia elétrica com especialização em eletrónica de potência e um mestrado em engenharia eletrónica pela Universidade Mapua. Também desempenhou um papel fundamental no apoio a aplicações para produtos de controlo de frigoríficos termoelétricos antes de se dedicar a produtos de monitorização.

Camille Bianca Gomez é Engenheira de Aplicações de Produto na Multimarket Power-East. Ingressou na Analog Devices em março de 2022 e é licenciada em Engenharia Eletrónica pela Universidad De La Salle-Campus de La Laguna. Anteriormente, trabalhou como engenheira de projeto numa fábrica de automóveis durante três anos e meio e agora dedica-se ao desenvolvimento e suporte de produtos.