电压极限(Voltage margining,改变对板卡上 IC 的供电电压)是设计工程师在产品开发和检验过程中经常使用的一种技术。通过让各个硅器件承受最苛刻的工作电压,可以更换掉发生故障的器件,提高生产率和产品可靠性,并将现场故障减少至最小。新一代负载点DC/DC转换器可通过I2C总线来控制远程配置和精确电压极限,本文重点介绍这种转换器如何为制造质量策略提供测试灵活性和支持方面的新标准。
许多设计工程师采用中间总线结构(IBA)来克服由当今低电压器件所引起的配电问题。通常,一个绝缘的中间总线电压被馈送到多个板载非绝缘负载点(POL)转换器,进行二次降频转换,供单一负载使用。
图1:使用传统POL转换器的典型极限控制架构。
想必大家都清楚IBA的优点:它具有更好的调节和瞬态响应功能,散热管理得到提高,处理多个低电压要求的灵活性也得到增强。事实上,目前大多数板卡设计中所使用的半导体器件需要非常多样的低电压供应,这种配电方式正在许多高端应用中快速推广。
在此之前,POL转换器的主要技术驱动力一直都是尺寸、效率、可靠性和电流密度。但另一个趋势也正在出现,这些转换器越来越需要在保留原有特性的同时,加入更高级的电源管理功能。目前被认为非常重要的两个功能是远程配置和精确的电压极限。
测试提高可靠性
电压极限并非是一项新的技术。较早以前,电子工程师就在产品开发和检验过程中使用这项技术,来检验某一电路或器件在承受最苛刻的电压时是否会发生故障或工作异常。在实验室里,通常通过给转换器配备不同的输出电压调节电阻器来完成这项工作。多轨(multi-rail)器件,如ASIC、FPGA和高端处理器的出现又增加了问题的复杂性。
另一个推动电压极限应用的关键因素是半导体的工作电压不断降低,而电流需求不断增加。最新的低压硅器件趋向于具有窄带的供电电压范围,并且要求更高的准确度。
结果是越来越多的电子制造商开始在产品测试过程中采用电压极限技术。它通常采用由自动测试设备(ATE)控制的一次成型(one-off)、老化(burn-in)的测试形式,来验证所有供电轨上的所有器件在最苛刻的容错下是否工作正常。随后,没有通过测试的器件会被替换掉,以防止将可能带有细微缺陷的板卡交付给客户。由于使用的低压硅器件越来越多,因此未通过电压极限测试的板卡常出现现场故障。从系统停机和故障诊断/检修方面来讲,这样的故障将造成巨大的损失,更不用说产品不稳定而造成的负面影响。
图2: 经过I2C总线实现简单的极限控制。
简化控制是关键
许多商用POL转换器模块提供极限控制,允许随时调整输出电压的设定值(set-point),以便在超出供电范围时,对负载电路的工作进行动态测试。这种控制方法通常允许±5%的误差,但它们总是需要过多的外部元件,如FET开关或电阻器等。如图1所示,这些元件会占用大量的板空间,增加生产成本,并且不能提供足够的调节准确性。并且,它们也没有寻址功能,这意味着每个POL转换器需要用单独的线来进行连接控制,这增加了密集型板卡布局布线的困难。
尽管这种方法在开发实验室中一直被采用,但并不适合于批量生产线上的高速板卡测试。因此,市场上开始出现具有远程配置极限功能的POL转换器。然而在此之前,它们通常采用了专属的通信总线,强制设计师采用单一公司的方案。
Artesyn相信,基于工业标准的开放架构方式是一个更好的长期解决方案。因此Artesyn选择基于I2C总线生产最新的可远程配置的POL转换器。I2C是一种双向的两线总线,它最初被飞利浦用来进行IC内部控制,而现在该总线已成为实际上的全球标准,获得许多半导体制造商的支持,尤其是在电信应用中被用来控制、监视和诊断芯片的工作情况。
Artesyn也选择了采用革命性的方法来开发可远程配置的POL转换器。一开始,公司并未直接转到全智能转换器,只是在高性能POL转换器产品中增加了有限的关键系统级电源管理功能。随着应用的发展以及转换需求的增加,更多的智能技术将被逐渐采用。
新款的SIL15E-12M系列精确/极限POL转换器,是在12V输入版本的SIL15E产品系列的基础上开发而来的。这种转换器具有15A额定电流和92%的高转换效率。Artesyn通过集成大量I2C远程配置控制功能,加入精确输出电压设定和极限,极大地扩展了转换器的功能。这两个特征均基于主动的DC输出控制功能,通过不同的负载状况、元件容错和工作温度的自动补偿,极大地提高了电压准确性。这一输出控制功能直接与转换器的控制器芯片对接,可以使输出电压在正常操作和执行电压极限测试过程中保持极高的精确度。
在极限测试时,保持电压准确度的重要性不应被低估,因为电压不准确会使测试结果无效,并且可能由于加压超出允许的范围而让器件承受过高电压。对于SIL15E-12M,主动的DC输出控制功能在开机之后会被立即调用,在接收极限测试命令之前,可以使转换器的输出被极其准确地设定和保持,误差仅为±0.75%。
Artesyn最初推出了一款可远程配置的POL转换器,它的输入电压范围为10～14V,输出范围极宽,为0.8～3.36V,因此只需一个型号既可满足大量不同的供电要求。预编程的极限值会被设定在(5%,主动DC输出控制功能会被启用。最初的这个型号满足了板卡低压供电的绝大部分要求。客户也可以选择修改任何预编程的参数。他们可以在开发过程中通过I2C总线进行修改,也可以从Artesyn处获得客户定制化的预编程转换器。
图3: Artesyn的SIL15E-12M POL转换器模块。
灵活的开发和测试功能
在此类应用中,I2C总线提供了众多好处。它被当作一种只有两条线路的简单双向总线,可以非常容易地与板卡上所有的POL转换器相连,如图2所示。Design-in的时间可降至最短,因为每个POL转换器都有自己的I2C总线接口,并被分配唯一的地址。
尽管Artesyn供应的SIL15E-12M POL转换器为板卡生产提供了预编程,但设计师可以利用自己的编程能力来加快产品的开发。例如,他们可以改变转换器的输出电压,以克服很小的配电损失或修改电压极限值。在彻底验证了板卡的操作、并确定了转换器的理想参数值后,他们就可以告诉Artesyn。于是Artesyn就可完全根据客户的需要,提供可直接进行生产的转换器。
在开发过程中,远程配置板卡上的POL转换器只需使用USB线将其I2C总线接口连接到运行基于 Windows配置GUI(图形用户界面)的标准电脑。这些转换器可以单独进行控制,或最多同时寻址8个。控制软件的使用也非常容易,它采用了引导式的用户界面,以使系统原型机的开发时间最小化,如图3所示。
在生产测试过程中,ATE可用来通过板卡的I2C总线控制电压极限测试的操作。上下极限值应该已经由Artesyn编程到了转换器的非易失性存储器中,这意味着ATE只需要调用相应的操作。调用命令保存在转换器的易失性存储器中,当下一次板卡启动时,所有POL转换器会还原为原来的电压输出设置。
I2C可编程POL转换器除了提供设计灵活性之外,他们还为电子制造商提供了一种可加快板卡生产测试、增加产量和产品质量的优化方案。
Mark O'Sullivan是Artesyn科技公司电源事业部的国际产品市场经理。他在Artesyn设在爱尔兰Youghal的工厂工作。您可以通过mark.o'sullivan@与他联系。
作者:Mark O'Sullivan
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