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April 2009

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差動センサが電源管理とトリミング・アプリケーションに優れた精度を提供

差動シグナリングは以下を含むいくつかの恩恵により、データ通信チャネルの接続方法で主流になりました。

低振幅信号の採用
環境雑音とEMIへの耐性
信号の伝送路長
センサやトランスデューサのように本来 "バランス" した信号源に対するより容易なインターフェイス

また差動信号(又は差動センシング)は、正確なPCボード電圧監視と供給電源トリミングにも用いることができます。ラティスは、ノイズの多い環境での測定誤差を最小にすると共に、グランド電位の差をマスクするためにパワーマネージャIIファミリのアナログ・モニタ部に差動入力バッファを使っています。プロセッサ(マイクロプロセッサ、DSP、FPGA、またはASIC)の電圧許容範囲要件の精度実現には、供給電源のトリムミング・メカニズムを用いることは必須です。

差動センシングを用いる電圧監視

電圧監督ICは、プロセッサが優雅に安全な電源遮断を開始することができるように、供給電源系の故障を検出して、リセットか割り込みを生成するように設計されます。信頼できる故障検出のために、設計者は供給電源出力の電圧範囲、プロセッサの供給電圧許容範囲、および監視回路の精度を考慮しなければなりません。シングルエンドの入力を用いるこれまでの監視ICは、電圧閾値精度がせいぜい+/-3%程度です。設計者がこの監視誤差を考慮して、システム動作の信頼できる範囲を低下させざるを得ません。

また、PCBグランドプレーンのポテンシャルは電圧監視ICのモニタ誤差に影響します。例えば、監視デバイスとPCボードの別の位置にあるプロセッサのグランド電圧差が25mVあり、モニタしたコア供給電圧が1.0Vであるなら、結果は2.5%の誤差になります。監視デバイスがどんなに正確であっても、グランド電圧差を補うことはできません。これは、グランド電位差を補償するためにそれぞれのプロセッサ負荷に専用の監視が必要なことを暗示しています。

図1はispPAC-POWR1220AT8パワーマネージャIIデバイスを用いた監視ソリューションを示します。このアナログモニタは差動センシングを用いて、どの電圧トリップポイントでも0.7% max./0.2% typ. のVMON精度を提供します。

図1 VMONグランド電位検出を示すインターフェイス

グランド電圧差はVMONとVMONGS両ピンのコモンモード電圧になります。入力差動増幅器がコモンモード電圧を相殺するので、VMON精度は-200mVから+300mVのグランド電圧差まで保証されます。これにより設計者は複数の監視ICを単一の、かつボードの中央に配置されているパワーマネージャIIと集積することができます。

また供給電源トリミング回路は、DC-DCコンバータの精度と性能を向上させるために差動センシングのテクニックを使うことができます。

パワーマネージャII電圧モニタブロックに関して

パワーマネージャIIはさまざまなトリップポイントに独立してプログラムできる差動入力コンパレータブロックを提供します(以下の図を参照)。VMON入力ピン自体はノイズの多い環境においても測定誤差を最小にする差動入力ペアです。各VMONの差動ペア、即ち正電位のVMON用の1つと、センス線或いはグランドセンス用の他方(VMONGS)は、設計者に1組のピンによってボード上の離れた位置にあるポイントの電圧をモニタすることを可能にします。図1ではispPAC-POWR1220AT8パワーマネージャIIが1.5V供給電源を制御し、1.5Vの負荷側回路をモニタします。

VMON コンパレータ論理ダイヤグラム

リモート検出とVMON1電圧モニタラインの位置に留意してください。その供給電源に大きい電流が流れたりボード上の雑音があると、電圧が測定されるネットの物理的な位置は重要です。各VMONはグランド検出線を持っていて、すべての場合で接続されています。グランド検出線はパワーマネージャIIのグランドに対して最大-200mVから+300mVの電位差を持つことができます。グランド検出線においてこの変動性を考慮することによって、パワーマネージャIIをボードの中央の位置に配置し、ICがプロセッサ供給電源系をモニタするために必要な監視数を最小にすること可能にします。

パワーマネージャIIは、このように伝統的な電源監視の役割を大幅に超えて適用できる付加的な機能を提供します。0.664Vから5.734Vの範囲で368のトリップポイントをプログラムすることができ、これはデバイスがさまざまな供給電源系要件に適用できて、また過電圧や電圧低下条件の検出も可能にします。10ビットの内蔵ADCブロックがVMON入力値をモニタして、I2Cスレーブ・インタフェースを通してステータスレジスタとしてアクセスすることで、そのデータは利用できるようになります。これにより、管理のファームウェアを実行している外付けマイクロプロセッサは、実際の供給電圧値に基づくパワーシステムを管理することが可能になります。

改良された供給電源トリミング

供給電源のキャリブレーションは通常トリミング制御回路によって達成されますが、これはPCボードの負荷需要に依存して電源の出力電圧を上げたり下げたりします。単純なデザインにおいて、手動のポテンショメータ(ポット)とスクリュードライバで正しいポイントに合わせ、次に製造業者が接着剤で固定するようなこともあります。このアプローチの欠点は、手動でポットを設定することはPCB製造費用に反映することと、一度設定すると供給電圧が温度条件や経年変化要因を補うことができないということです。

より洗練されたデザインでは、自動的に電源電圧を較正するためにプログラマブル・デジタル抵抗とマイクロコントローラを用います。このアプローチは電源管理ファームウェアにオーバーヘッドを追加し、また測定回路の精度にも依存します。グランド電圧偏差はそれら電圧監視シナリオと同じように、精度誤差に影響します。

トリミングソリューションの精度を改良して低コスト化をするために、ラティスはパワーマネージャIIファミリに差動アナログモニタと集積されたAD変換器(ADC)ブロックを用います。ispPAC-POWR1220AT8とispPAC-POWR6AT6は共にトリムセルを持っており、週期的にDC-DCコンバータの出力電圧を測定して、そのフィードバック・ノードに調整用の電流を供給することで出力電圧を維持します。パワーマネージャIIデバイスは出力電圧誤差を1%以下に抑えます。

図3 パワーマネージャIIによる閉ループトリミング

パワーマネージャIIのデジタル閉ループトリム機能は、供給電源の特定の電圧値と、その電源電圧をモニターしているオンチップADCの出力とを継続的に比較します。誤差信号は、結果としてDAC電圧を増加するかまたは減少させ、電源電圧を自動的に一定値に維持します。さらに、外付けマイクロコントローラはオンチップADCを通して電源電圧をモニタすることができ、I2Cインターフェイスを通して対応するDACを直接制御することもできます。電圧プロファイル選択の専用ハードウェア端子を用いることで、トリムセルも選択できる4つの異なるDAC値の設定かコンフィグレーションを格納することができます。

結論

PCBの信頼性を増大させるためには、電圧の監視回路は高精度でなければなりません。従来までの電圧監視IC正確な一方で、グランド電位の影響を補償するために、それぞれ負荷回路の近くに配置しなければなりません。差動センシングのテクニックによって、ボード中央の位置からすべての供給電源を正確にモニタすることができます。パワーマネージャIIデバイスファミリによって、PCB設計者とシステムエンジニアには、これはボード全体に分散された回路負荷を測定する信頼できる方法です。

パワーマネージャIIデバイスファミリによる差動センシングは高精度な(0.2% Typ./0.7% Max.)電圧監視機能と、従来までの個別ICがシングルエンド入力では達成することができないDC-DCコンバータのトリム回路（1%以下の誤差）を提供します。複数の監視デバイスとDC-DCトリム回路をパワーマネージャIIと集積することによって、部品点数とPCB製造費用を抑える手助けとなります。

その他の情報

以下のアプリケーション・ノートはパワーマネージャとパワーマネージャIIファミリデバイスのVMON入力の電圧センシング機能を拡大するためのテクニックと、電圧モニタのトピックとをカバーしています。