在当今科技飞速发展的时代，人们对电池供电的便携式小工具和器件的需求量呈现出大幅增长的态势。与此同时，数字电路的能耗问题也逐渐成为人们关注的焦点。随着计算和处理任务变得越来越复杂，对速度更快的器件，如现场可编程门阵列（FPGA）和其他处理芯片的需求也日益增加。然而，复杂的处理过程需要更高的功率支持，这不可避免地会导致高速运行的芯片产生发热现象。
从技术发展的角度来看，器件尺寸的工艺技术正不断微缩至纳米级别。为了优化器件的处理速度并延长其使用寿命，降低工作电压成为了必然的选择。如下图所示，随着技术工艺的进步，集成电路的电源电压呈现出越来越低的趋势。
这种技术工艺的优化趋势使得市场对高精度电源的需求变得愈发迫切。如果在设计和使用过程中忽视电源的实际性能，就极有可能给系统性能带来潜在的风险。大多数稳压器的精度并不理想，如果内核电压低于工作要求电压，处理器件（如 FPGA）可能会因出现错误而发生故障。在连续操作的情况下，如果内核电压漂移到工作要求电压以上，FPGA 不仅可能会被损坏，逻辑中还可能产生保持时间故障。这些风险的产生往往与负载条件、工作温度以及设备老化等因素密切相关。虽然本文中的大多数示例以 FPGA 为例进行说明，但同样的原理也适用于其他计算和处理器件。
在设计和监控计算与处理芯片所用的电源时，容差问题需要特别关注。因为从不同的角度来看，容差的处理方式可能会有所不同。下面我们将详细定义每种容差。
内核电压容差是计算器件内核电源的重要规格。以 Altera Arria 10 FPGA 为例，其内核电压规格的值和值范围相对于标称值有 ±3.3% 的容差。如果以低于标准值或高于值的电压操作此器件，将会导致性能问题。为了实现性能和低功耗运行，必须遵循更严格的容差规定。
图 2. Altera Arria 10 内核电压规格
电源容差指的是电源的输出偏差或输出稳压性能。要获得严格的电源容差，需要由的进行精心设计。然而，电源容差可能会受到元器件老化等外部因素的影响，随着时间的推移而发生变化。在实际应用中，此电源容差应控制在内核电压容差范围之内。电源输出的任何异常操作都可能给处理和计算器件（如 FPGA）带来严重问题。具有一定标称容差的稳压器，其实际输出电压未必恰好处于稳压规格的中间值，而是在稳压范围以内波动。这可能是由于反馈环路中使用的电阻标准值本身存在一定的容差，进而带来了直流误差；也可能与基准电压的稳健性以及反馈环路补偿的优化程度有关。
假设一个 FPGA 的内核电压由开关稳压器供应。该开关转换器的标称容差为 ±2%，在运行时可能处于 4% 窗口内的任何位置。例如，其输出电压可能低于标称值，但仍在 - 2% 以内，这将导致 FPGA 存在时序风险。或者可能接近 + 2% 的上限，虽然这仍然可以满足 FPGA 的基本要求，但并非运行条件，会浪费大量电力。如果不进行有效的监控，器件终可能会在建议的电压水平之外运行，这可能导致更严重的问题，必须采取措施避免这种情况的发生。
窗口电源监控器容差（或称容差窗口）是以相对于标称值的百分比来设置欠压（UV）和过压（OV）阈值的。对于标称电压值为 1 V、容差窗口为 ±3% 的窗口电压监控器，UV 阈值将设置为 1 V × 0.97，OV 阈值将设置为 1 V × 1.03。然而，这些阈值（UV 和 OV）本身也存在一定的容差，称为阈值精度。
窗口电压监控器通过设置 UV 和 OV 阈值来确保器件在其额定电压范围内安全、稳定地运行。如果电源电压超出了这些设定的限值，它会及时发出复位输出信号，这有助于防止系统出错，保护电子器件免受损坏。下图中的时序图清晰地显示了当监测到的电压低于 UV 阈值或超过 OV 阈值时，如何提供复位输出。
窗口电压监控器具有多种架构方案，可以根据实际需求灵活设置 UV 和 OV 阈值，并选择合适的工作容差，从而使系统达到运行状态。然而，选择合适的窗口监控器并采用的使用方式并非易事。用户需要从众多可用方案中仔细挑选出适当的容差窗口。此外，UV 和 OV 的复位阈值本身也有精度规格。阈值精度通常以百分比表示实际阈值与计算阈值或目标复位阈值的一致程度，它主要由集成电路（IC）设计中的电阻分压器和带隙电路决定。基准电压和电阻越稳健，所能达到的精度就越高。
电源性能预算通常在系统设计期间就需要进行合理确定。对于容差或工作规格为 ±3% 的 FPGA 内核电压，可以将 ±1% 分配给电源直流稳压误差，±1% 分配给输出纹波电压，另外 ±1% 分配给瞬态响应。如果使用精度较差的电源，其稳压误差达到 ±2%，那么留给瞬变响应的余量就会相应减少。当直接供电时，瞬态响应余量不足可能导致瞬态电压超出内核电压规格窗口，从而增加器件发生故障的风险。在这种情况下，可以利用窗口电压监控器将 FPGA 安全地置于复位模式，从而有效避免出错。
在使用窗口电压监控器时，一个常见的难题是如何设置和选择适当的容差窗口。许多用户倾向于选择容差与内核电压要求相同的窗口电压监控器。例如，对于容差为 ±3% 的内核电压要求，可能会选择容差窗口为 ±3% 的窗口电压监控器。然而，受阈值精度的影响，当选择与 FPGA 内核电压工作要求相同的容差时，在过压阈值 OV_TH（值）和欠压阈值 UV_TH（值）附近的任何电压值都可能会触发复位输出，从而导致系统出现故障。
在图 4a 中，如果不考虑阈值精度，受监控的电源可能会超出内核电压容差范围，且在其可能的实际工作阈值下，电源监控器可能无法及时检测到异常情况。这个超出 ±3% 的电源将为微处理器的内核供电，因此需要选择更合适的容差窗口。为了避免此类情况的风险，OV_TH（值）和 UV_TH（值）应设置在内核电压的 ±3% 容差要求范围内。然而，由于需要保证精度，可用电源窗口的一部分会被占用，导致电源工作窗口变小，如图 4b 所示。
图 5. 窗口电压监控器容差设置：(a) 与内核电压容差相同；(b) 在内核电压容差范围内
我们可以通过考虑使用两个阈值精度不同的窗口电压监控器来监控同一内核电压电源，来深入了解阈值精度的影响。精度较高的监控器的实际 UV 和 OV 阈值相对于预期 UV 和 OV 阈值的偏差，比精度较低的监控器要小。从图 5a 可以看出，较低的阈值精度会导致电源窗口变窄，因为当内核电源电压处于 UV 和 OV 监控范围内的任何位置时，复位输出信号都可能会被触发。在电源精度低、稳压效果差的应用中，这可能导致系统变得更加敏感，容易发生振荡。相反，高阈值精度会拓宽可用电源窗口，确保电源稳定工作，从而有效提升系统性能，如图 5b 所示。
图 6. 允许的电源窗口和复位响应：(a) 低阈值精度；(b) 高阈值精度
下面通过一个具体的例子来进一步说明阈值精度的重要性。图 6 显示了使用两个阈值精度不同的窗口电压监控器监控 ±5% 容差规格的 2.5 V 内核电压的情况。本例中使用的容差窗口并非实际产品提供的选项，而是为了说明阈值精度而选定的。对于图 6a 和 6b，所用的窗口电压监控器的阈值精度分别为 ±1.5% 和 ±0.3%。使用 ±1.5% 的阈值精度时，为了避免在图 6a 所示的故障区域内运行，容差窗口为 ±3.5%，此时电源工作窗口为 100 mV。使用 ±0.3% 的阈值精度时，令电源输出化的容差窗口为 ±4.7%，且不存在任何故障风险。设置这些值将提供 220 mV 的电源工作窗口。精度上的这种差异使工作电源窗口扩大了一倍以上，从而有效提高了电源性能。
图 7. 有效工作电源窗口：(a) ±1.5% 阈值精度；(b) ±0.3% 阈值精度
上述计算是通过 WindowVoltage Monitor Calculator 完成的，该工具可以帮助用户轻松理解和可视化窗口电压监控器中的不同参数。用户还可以利用该工具检查器件规格是否符合设计要求，例如电源工作窗口。
为了应对越来越低的内核电压要求，窗口电压监控器的架构和性能也在不断改进。目前，其阈值精度已达到 ±1.5% 至 ±0.3%。为了进一步提升精度，可以使用经工厂微调的标称监控电压和容差窗口的窗口电压监控器。MAX16193 就是一款精度为 ±0.3% 的双通道监控电路。截至 2024 年，该器件是在不同温度下阈值精度的窗口电压监控器。它可提供各种经工厂微调的容差窗口（±2% 到 ±5%），以适应工业和汽车应用的不同电源电压和容差要求。在图 7 所示的典型应用电路中，输入通道 1 (IN1) 以 ±0.3% 的精度监控 0.6 V 至 0.9 V 阈值范围内的低内核电压轨，而输入通道 2 (IN2) 则以 ±0.3% 的精度监控 0.9 V 至 3.3 V 阈值范围内的较高系统电源轨。
窗口电源监控器 MAX16193 的典型应用电路，该器件在整个温度范围内都具有非常高的阈值精度，能够监控 MCU 的内核和输入 / 输出电源电压
MAX16193 的阈值精度在整个工作温度范围（ - 40°C 至 + 125°C）内均保持稳定。图 8a 和图 8b 表明，对于 IN1 和 IN2 两个输入，该器件的高阈值精度在不同温度下均表现出色。与其他电压监控器仅在特定范围内表现出性能不同，该器件在从到工作温度的整个范围内都能保证高精度。
图 9. (a) IN1 和 (b) IN2 的 UV 和 OV 阈值精度随温度的变化曲线
