El avance de la tecnología conlleva la reducción de los voltajes del núcleo de dispositivos de cálculo digitales como FPGAs, procesadores, DSPs y ASICs para hacer frente a los retos térmicos y de consumo de energía que afectan a su rendimiento. Esto también conduce a tolerancias de alimentación del núcleo más estrictas, lo que reduce el rango de tensión de funcionamiento.

Aunque la mayoría de los reguladores de conmutación no son perfectos, esta tendencia de las tensiones del núcleo exige una fuente de alimentación muy precisa para un funcionamiento adecuado.⁽¹⁾ Los supervisores de tensión de ventana ayudan a garantizar que los dispositivos funcionen en los niveles de tensión del núcleo adecuados, sin embargo, la precisión del valor ó límite es un gran factor para maximizar la ventana de alimentación utilizable.²

En este artículo se explica cómo el uso de un supervisor de tensión de ventana de alta precisión maximiza la salida de la fuente de alimentación. Al mejorar la ventana de la fuente de alimentación utilizable para los voltajes del núcleo de los dispositivos, se garantiza el funcionamiento dentro del rango válido de la fuente de alimentación operativa.

Introducción

El consumo de energía de los circuitos digitales es una de las principales preocupaciones, ya que la demanda de aparatos y dispositivos portátiles y que funcionan con baterías está aumentando enormemente. El cálculo y el procesamiento son cada vez más complejos, lo que exige dispositivos más rápidos como las matrices de puertas programables en campo (FPGA) y otros chips de procesamiento. Los procesos complicados exigen mayor potencia, lo que a su vez provoca el calentamiento de los chips rápidos. La figura 1 muestra que la tendencia de la tecnología de procesos en las dimensiones de los dispositivos se está reduciendo hasta el rango de los nanómetros, lo que exige la correspondiente reducción de los voltajes de funcionamiento, optimizando la velocidad de procesamiento y ampliando la vida útil de los dispositivos.3

Con esta tendencia de optimización de los procesos tecnológicos, se requieren fuentes de alimentación de alta precisión. Si no se tiene en cuenta el rendimiento real de las fuentes de alimentación, pueden producirse riesgos en el rendimiento del sistema. Como la mayoría de los reguladores no son lo bastante precisos, si la tensión del núcleo cae por debajo de los requisitos de funcionamiento, los dispositivos de procesamiento (FPGA, por ejemplo) corren el riesgo de fallar debido a errores. Y con un funcionamiento continuo si la tensión del núcleo supera el requisito de funcionamiento máximo, puede dañar la FPGA y provocar fallos de tiempo de mantenimiento en la lógica. Todos estos riesgos pueden venir dados por las condiciones de carga, la temperatura de funcionamiento y el envejecimiento (1). Aunque en la mayoría de los ejemplos del artículo se mencionan las FPGA, el mismo principio se aplica a otros dispositivos de cálculo y de procesamiento.

Figura 1. Las tensiones de alimentación de los circuitos integrados disminuyen con la evolución del proceso tecnológico.³

Tolerancias

La tolerancia requiere una cuidadosa atención a la hora de diseñar y supervisar las fuentes de alimentación de los chips de cálculo y de procesamiento, ya que puede tratarse de forma diferente desde cada perspectiva.  En este artículo definimos cada tolerancia en las secciones siguientes.

Tolerancia de tensión del núcleo

La tolerancia de voltaje del núcleo corresponde a las especificaciones de alimentación del núcleo del dispositivo de cálculo. La Tabla 1 muestra las especificaciones de tensión del núcleo de la FPGA Altera Arria 10 como ejemplo. El rango de valores mínimo y máximo asciende a ±3,3% de tolerancia con respecto al valor nominal. El funcionamiento de este dispositivo por debajo del mínimo estándar o por encima del máximo provocará problemas de rendimiento. Para un rendimiento óptimo y un funcionamiento de bajo consumo, se requiere una tolerancia más ajustada.

Tabla 1. Especificación de voltaje del núcleo Altera Arria 10

Tolerancia de la fuente de alimentación

La tolerancia de la fuente de alimentación es la desviación de salida o el rendimiento de regulación de salida de la fuente de alimentación. Obtener una tolerancia ajustada de la fuente de alimentación requiere un diseño experto. Sin embargo, puede cambiar con el tiempo debido a varios factores externos, como el deterioro de los componentes. En la aplicación, esta tolerancia de la fuente de alimentación debe estar dentro de la tolerancia de la tensión del núcleo. Cualquier operación de la salida de la fuente de alimentación puede causar problemas al dispositivo de procesamiento y cálculo, como en las FPGA. Un regulador con una tolerancia declarada puede no funcionar exactamente en el centro de la especificación de regulación de la tensión de salida, sino justo dentro del rango de regulación. Esto puede deberse al error de CC provocado por el valor estándar de las resistencias utilizadas en el bucle de realimentación (feedback loop), que tiene una tolerancia inherente, a la robustez de la tensión de referencia y a la optimización de la compensación del bucle de realimentación. Consideremos como ejemplo una FPGA cuya tensión de núcleo es suministrada por un regulador de conmutación. Este convertidor de conmutación con una tolerancia declarada de ±2% puede funcionar en cualquier lugar dentro de la ventana del 4%. Puede estar por debajo del valor nominal pero aún dentro del -2%, poniendo por tanto a una FPGA en riesgo de problemas de temporización. O puede estar cerca del límite del +2%, que aún puede cumplir el requisito de la FPGA pero no es óptimo y desperdicia energía.1 Si no se controla, el dispositivo puede acabar funcionando fuera de los niveles de tensión recomendados, lo que puede provocar problemas más graves y debe evitarse.

Tolerancia del supervisor de ventanas

La tolerancia del supervisor de ventana, o ventana de tolerancia, establece el umbral de subtensión (UV) y sobretensión (OV) en términos de porcentaje con respecto al valor nominal. Para un supervisor de tensión de ventana con un valor de tensión nominal de 1 V y una ventana de tolerancia de ±3%, el umbral UV se establece en 1 V × 0,97 y el OV se establece en 1 V × 1,03. Sin embargo, estos umbrales, el UV y el OV, tienen sus propias tolerancias conocidas como precisión de umbral.

Uso de supervisores de tensión de ventana

Un supervisor de tensión de ventana garantiza que los dispositivos funcionen dentro de su rango de tensión especificado mediante el establecimiento de umbrales UV y OV. Emite una señal de salida de reset si la tensión de alimentación cae fuera de estos límites, lo que ayuda a evitar errores del sistema y a proteger los dispositivos electrónicos de posibles daños. El diagrama de temporización de la Figura 2 muestra cómo se emite una salida de reset cuando una tensión supervisada cae por debajo del umbral UV o supera el umbral OV. Existen varias opciones de arquitectura de supervisores de tensión de ventana para establecer el umbral UV y OV y elegir la tolerancia de funcionamiento que se puede seleccionar para un funcionamiento óptimo.²

Figura 2. Diagrama de temporización que muestra una salida de reset en caso de UV y OV.

Sin embargo, elegir un supervisor de ventana y utilizarlo de forma óptima no es tan sencillo como parece. La ventana de tolerancia adecuada debe seleccionarse cuidadosamente entre una serie de variantes disponibles. Además, los valores ó límetis de reset para UV y OV vienen con sus propias especificaciones de precisión. La precisión del límite o umbral, expresada normalmente en porcentaje, es el grado de conformidad del umbral de reset real con el calculado u objetivo, que viene determinado por un divisor de resistencias y un circuito bandgap en el diseño del circuito integrado (CI)(4). Cuanto más robustos sean el voltaje de referencia y las resistencias, mayor será la precisión que pueda alcanzarse. La figura 3 muestra una ilustración de la ventana de tolerancia y la precisión del umbral en un supervisor de tensión de ventana. Los umbrales reales de UV y OV, que son el UV_TH y el OV_TH, respectivamente, pueden variar dentro de la especificación de precisión del valor mínimo y máximo.

Figura 3. Variación del límite o umbral de subtensión y sobretensión con su especificación de precisión.

El cálculo del rendimiento de la fuente de alimentación se realiza a menudo durante el diseño del sistema. Para una tensión de núcleo FPGA con una tolerancia o especificación de funcionamiento de ±3%, se puede asignar ±1% al error de regulación de CC de la fuente de alimentación, ±1% a la tensión de rizado (ripple) de salida y otro ±1% para la respuesta transitoria. Si se utiliza una fuente de alimentación con un error de regulación del ±2% dejará menos margen para transitorios. Esto aumenta el riesgo de mal funcionamiento del dispositivo cuando se alimenta directamente, ya que los transitorios pueden salirse de la ventana de especificación de tensión del núcleo. Los errores pueden evitarse utilizando supervisores de tensión de ventana para poner de forma segura la FPGA en modo reset cuando esto ocurra.

Elegir la ventana de tolerancia adecuada

Una de las dificultades habituales al utilizar un supervisor de tensión de ventana es establecer y seleccionar la ventana de tolerancia adecuada. Los usuarios tienden a elegir un supervisor de tensión de ventana con la misma tolerancia que el requisito de tensión del núcleo. Por ejemplo, un supervisor de tensión de ventana con una ventana de tolerancia de ±3% se utiliza para un requisito de tensión del núcleo que tiene una tolerancia de ±3%. Debido a la precisión del umbral, elegir la misma tolerancia con requisito de funcionamiento del voltaje del núcleo de la FPGA puede activar una salida de reset en cualquier lugar cerca del umbral máximo de sobretensión OV_TH (máx) y del umbral mínimo de subtensión UV_TH (mín), lo que podría provocar un mal funcionamiento. En la Figura 4a, la fuente de alimentación supervisada podría ir más allá de la tolerancia de tensión del núcleo y podría no ser detectada por el supervisor en su posible umbral de funcionamiento real si no se tiene en cuenta la precisión del umbral. Esta fuente de alimentación que va más allá del ±3% se suministrará al núcleo de un microprocesador, por lo que es necesario elegir una ventana de tolerancia más adecuada. Para evitar los riesgos de tal condición, el OV_TH (max) y el UV_TH (min) deben establecerse dentro del requisito de tolerancia de ±3% de la tensión del núcleo. Sin embargo, una parte de la ventana de la fuente de alimentación utilizable será “digerida” por la precisión, lo que dará lugar a una ventana de funcionamiento de la fuente de alimentación reducida, como se muestra en la Figura 4b.

Figura 4. Ajuste de la tolerancia del supervisor de tensión de ventana (a) igual que la tolerancia de tensión del núcleo y (b) dentro de la tolerancia de tensión del núcleo.

Figura 5. Ventana de alimentación admisible y respuesta de reset (a) con precisión de umbral baja y (b) con precisión de umbral alta.

Figura 6. Ventana de fuente de alimentación operativa efectiva con (a) ±1,5% de precisión de umbral y (b) ±0,3% de precisión de umbral.

El impacto de la precisión del umbral

Considere dos supervisores de tensión de ventana con diferentes precisiones de umbral para supervisar la misma alimentación de tensión del núcleo. Los umbrales UV y OV reales del de mayor precisión se desvían menos que el de menor precisión con respecto a los valores de umbral UV y OV esperados. En la Figura 5a, se observa que un umbral de menor precisión proporcionará una ventana de alimentación más estrecha, ya que la señal de salida de reset se activará cuando la tensión de alimentación del núcleo se encuentre en cualquier punto del intervalo de supervisión de UV y OV. En aplicaciones con una fuente de alimentación de baja precisión y una regulación deficiente, esto podría dar lugar a un sistema más sensible y propenso a la oscilación. Mientras tanto, una alta precisión de umbral proporciona una ventana de alimentación utilizable más amplia, lo que mejora el rendimiento del sistema al funcionar de forma estable, como en la Figura 5b.

Figura 7. Circuito de aplicación típico del MAX16193, el supervisor de ventana de la industria con la mayor precisión de umbral a través de la monitorización de temperatura del núcleo y la tensión de alimentación de entrada/salida de un MCU.

La Figura 6 ilustra un ejemplo de supervisión de una tensión de núcleo de 2,5 V con una especificación de tolerancia del ±5% utilizando dos supervisores de tensión de ventana con diferentes precisiones de umbral. La ventana de tolerancia utilizada en este ejemplo puede que no sean las opciones reales disponibles, pero se eligieron para tener en cuenta la precisión del umbral. El supervisor de tensión de ventana utilizado tiene una precisión de umbral de ±1,5% y ±0,3% para las figuras 6a y 6b, respectivamente. Cuando se utiliza una precisión de umbral de ±1,5%, la ventana de tolerancia óptima para evitar operar en una región de mal funcionamiento mostrada en la figura 6a es de ±3,5%. Esto da como resultado una ventana de funcionamiento de la fuente de alimentación de 100 mV. Mientras que con una precisión de umbral de ±0,3%, la ventana de tolerancia óptima que maximiza la fuente de alimentación es de ±4,7% sin riesgos de mal funcionamiento. Estos valores ajustados darán una ventana de funcionamiento de la fuente de alimentación de 220 mV. Esta diferencia en la precisión mejora la ventana de funcionamiento de la fuente de alimentación en más del doble, maximizando el rendimiento de la fuente de alimentación.

Los cálculos anteriores se obtuvieron utilizando la calculadora del supervisor de tensión de ventana, una herramienta que ayuda a comprender y visualizar fácilmente los distintos parámetros de un supervisor de tensión de ventana. También permite a los usuarios comprobar si las especificaciones del dispositivo se ajustan a los requisitos de diseño, como la ventana de funcionamiento de la fuente de alimentación. Esta herramienta está disponible para su descarga en las siguientes páginas de producto: MAX16138, MAX16191, MAX16193, MAX16132/MAX16133/MAX16134/MAX16135, MAX16137.

Con la mejora continua de la arquitectura y el rendimiento de los supervisores de tensión de ventana para hacer frente a demandas de tensiones de núcleo cada vez más bajas, las precisiones de umbral pueden oscilar ahora entre ±1,5% y ±0,3%. El MAX16193, un circuito supervisor de doble canal con una precisión de ±0,3%, es el supervisor de tensión de ventana del sector con la mayor precisión de umbral en diferentes temperaturas a partir del año 2024. Dispone de una variedad de ventanas de tolerancia recortadas en fábrica de ±2% a ±5% para adaptarse a diferentes tensiones de alimentación y tolerancias para aplicaciones industriales y de automoción. En el circuito de aplicación típico de la Figura 7, el canal de entrada 1 (IN1) supervisa los carriles de tensión baja del núcleo desde un rango de umbral de 0,6 V a 0,9 V con una precisión de ±0,3%, mientras que el canal de entrada 2 (IN2) supervisa los carriles más altos del sistema desde un rango de umbral de 0,9 V a 3,3 V con una precisión de ±0,3%.

La especificación de precisión de umbral del MAX16193 es cierta para todas las temperaturas dentro del rango operativo desde -40°C a +125°C. Las figuras 8a y 8b muestran que la alta precisión de umbral del dispositivo para las dos entradas IN1 e IN2 es cierta a diferentes temperaturas. Mientras que otros supervisores de tensión tienen un rendimiento óptimo sólo en un rango determinado, este dispositivo garantiza una alta precisión desde latemperatura de funcionamiento mínima hasta la máxima.

Figura 8. Gráficos de precisión de los umbrales UV y OV en función de la temperatura para (a) IN1 y (b) IN2.

Conclusión

Para seguir el ritmo de la demanda de velocidad y optimización de la potencia, y junto con el avance de la tecnología de procesos, las tensiones del núcleo de los dispositivos son cada vez más bajas y la tolerancia cada vez más estricta. Los supervisores de tensión de ventana ayudan a evitar problemas graves en estos dispositivos. Sin embargo, la precisión del umbral desempeña un papel importante en el funcionamiento dentro de la ventana de especificación del dispositivo. La alta precisión de umbral de los supervisores de tensión de ventana ayuda a maximizar el rendimiento de la fuente de alimentación al mejorar la ventana de la fuente de alimentación operativa, evitando así reinicios frecuentes no deseados y la oscilación del sistema.

Referencias

1Nathan Enger. "Cuidado y alimentación de las fuentes de alimentación FPGA: Una guía de cómo y por qué para el éxito". Analog Dialogue, vol. 52, n.º 11, noviembre de 2018.

2Camille Bianca Gómez y Noel Tenorio. "Optimice su sistema el diseño de con el supervisor de tensión de ventana adecuado". Analog Dialogue, Vol. 58, No. 3, septiembre de 2024.

3Mohammed Mahaboob Basha, Kota Venkata Ramanaiah, y Palakolanu Ramana Reddy. "Diseño de 10T-Full de umbral cercano circuito sustractor para procesamiento de señales energéticamente eficientesaplicaciones de ". Revista internacional de procesamiento de imágenes, gráficos y , diciembre de 2017.

4Noel Tenorio. "Cómo abordan los supervisores de tensión el la fuente de alimentaciónruido y los fallos de ". Analog Dialogue, Vol. 57, No. 4, noviembre de 2023.

5 "Voltage Monitors and Supervisors Product Highlights". Analog Devices, Inc.

6 "Keep the Product Working-Microprocessor Supervisors Offer Big Insurance in Small Packages". Analog Devices, Inc., noviembre de 2001.

7Pinkesh Sachdev. "Nota de diseño FPGA Power System Management". Analog Devices, Inc., marzo de 2020.

8Caroline Hayes. "Diseño de la supervisión de la tensión de alimentación para placas multirraíl". Electronic Specifier, octubre de 2015.

Sobre los autores

Noel Tenorio es Product Applications Manager en el marco de productos de supervisión de alto rendimiento y gestión de potencia multimercado en Analog Devices Philippines. Se incorporó a ADI en agosto de 2016. Antes de ADI, trabajó como ingeniero de diseño en una empresa de investigación y desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas durante seis años. Es licenciado en ingeniería electrónica y de comunicaciones por la Universidad Estatal de Batangas, y tiene un posgrado en ingeniería eléctrica con especialización en electrónica de potencia, y un en ingeniería electrónica por la Universidad de Mapua. También desempeñó un papel importante en el soporte de aplicaciones para productos de control de refrigeradores termoeléctricos antes de ocuparse de los productos de supervisión.

Camille Bianca Gomez es Product Applications Engineer en Multimarket Power-East. Se incorporó a Analog Devices en marzo de 2022 y obtuvo su licenciatura en ingeniería electrónica en la Universidad De La Salle-Campus de La Laguna. Anteriormente trabajó como ingeniera de diseño en una empresa de fabricación de automóviles durante 3 y medio y ahora se centra en el soporte y desarrollo de productos