探索UCD90320U：32軌PMBus電源排序器與系統(tǒng)管理器的卓越性能

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）推出的UCD90320U 32軌PMBus?電源排序器和系統(tǒng)管理器，了解它如何為復(fù)雜的電子系統(tǒng)提供高效、可靠的電源管理解決方案。

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一、UCD90320U概述

UCD90320U是一款采用緊湊的0.8 - mm間距BGA封裝的32軌PMBus可尋址電源排序器和系統(tǒng)管理器。它采用了超低α（ULA）模塑料，有效減少了由α粒子引起的軟錯(cuò)誤。同時(shí)，該設(shè)備能夠掃描用戶配置SRAM以檢測(cè)單事件翻轉(zhuǎn)（SEU），為應(yīng)用提供了更高的可靠性。

1.1 主要特性

• 多軌控制與監(jiān)測(cè)：能夠?qū)?4個(gè)電壓軌進(jìn)行排序、監(jiān)測(cè)和裕度調(diào)節(jié)，另外還可處理8個(gè)數(shù)字軌。可以監(jiān)測(cè)過壓（OV）、欠壓（UV）、過流（OC）、欠流（UC）、溫度、超時(shí)和GPI觸發(fā)的故障，并做出相應(yīng)響應(yīng)。
• 靈活的序列配置：具備靈活的開啟和關(guān)閉依賴關(guān)系、延遲時(shí)間、布爾邏輯和GPIO配置，可支持復(fù)雜的序列應(yīng)用。
• 自適應(yīng)電壓識(shí)別：提供四個(gè)軌配置文件，用于自適應(yīng)電壓識(shí)別（AVID）電壓調(diào)節(jié)器。
• 高精度裕度調(diào)節(jié)：具有高精度的閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)功能，主動(dòng)微調(diào)功能可提高軌輸出電壓精度。
• 事件日志記錄：先進(jìn)的非易失性事件日志功能有助于系統(tǒng)調(diào)試，包括單事件故障日志（100條記錄）、峰值值日志和黑匣子故障日志，可在首次故障時(shí)保存所有軌和I/O引腳的狀態(tài)。
• 級(jí)聯(lián)功能：可輕松級(jí)聯(lián)多達(dá)4個(gè)電源排序器，并采取協(xié)調(diào)的故障響應(yīng)。
• 可編程功能：具備可編程看門狗定時(shí)器和系統(tǒng)復(fù)位功能。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

UCD90320U適用于多種領(lǐng)域，包括工業(yè)和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)，以及需要對(duì)多個(gè)電源軌進(jìn)行排序和監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。

二、詳細(xì)功能解析

2.1 功能框圖

UCD90320U的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括數(shù)字I/O、JTAG、PMBus從機(jī)、軌使能、軌裕度調(diào)節(jié)、排序引擎、可編程邏輯GPO、24通道ADC（12位，2x1MSPS）、8個(gè)數(shù)字監(jiān)測(cè)器、可配置GPIO、非易失性事件日志和布爾邏輯構(gòu)建器等模塊。這些模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源軌的精確控制和監(jiān)測(cè)。

2.2 特性描述

2.2.1 TI Fusion Digital Power Designer軟件

TI Fusion Digital Power Designer軟件是一款基于PC的圖形用戶界面（GUI），可用于配置、存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)。通過該軟件，設(shè)計(jì)工程師無需直接使用PMBus命令，即可輕松配置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并將配置存儲(chǔ)到片上非易失性存儲(chǔ)器中，同時(shí)觀察系統(tǒng)狀態(tài)。

2.2.2 PMBUS接口

UCD90320U支持PMBus標(biāo)準(zhǔn)的1.2版本，該接口基于SMBus接口，構(gòu)建在I2C物理規(guī)范之上。標(biāo)準(zhǔn)的PMBus接口命令支持設(shè)備的功能，獨(dú)特的功能則通過MFR_SPECIFIC命令進(jìn)行配置或激活。

2.2.3 軌設(shè)置

在Pin Assignment選項(xiàng)卡中，可以定義電源軌。UCD90320U具有24個(gè)AMON引腳、8個(gè)DMON引腳、32個(gè)EN引腳和24個(gè)MARGIN引腳，最多可支持32個(gè)軌。通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，可以添加或刪除軌，并為軌分配AMON、DMON、EN和MARGIN引腳。

2.2.4 設(shè)備功能模式

• 軌監(jiān)測(cè)配置：在Vout Config選項(xiàng)卡中，可以配置所選軌的電壓監(jiān)測(cè)參數(shù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的軌電壓超出由過壓和欠壓警告/故障閾值定義的電壓窗口時(shí)，會(huì)發(fā)生故障或警告事件，設(shè)備將根據(jù)用戶定義的操作做出響應(yīng)。
• GPI配置：UCD90320U的84個(gè)GPIO引腳中，最多32個(gè)可配置為GPI?？梢耘渲肎PI引腳的極性為高電平有效或低電平有效，每個(gè)GPI可作為序列依賴的源，還可用于級(jí)聯(lián)功能。此外，每個(gè)GPI引腳還可分配四種特殊行為。
• 軌序列配置：通過Vout Config選項(xiàng)卡可以配置軌序列。當(dāng)軌接收到開啟或關(guān)閉命令時(shí)，會(huì)檢查其依賴條件，滿足條件后等待開啟或關(guān)閉延遲時(shí)間，然后斷言或取消斷言EN引腳。每個(gè)軌還可以設(shè)置序列開啟/關(guān)閉超時(shí)周期和相關(guān)操作。
• 故障響應(yīng)配置：當(dāng)達(dá)到故障閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)執(zhí)行三個(gè)操作：斷言PMBus ALERT線、將故障事件記錄到非易失性存儲(chǔ)器中并設(shè)置狀態(tài)寄存器位、執(zhí)行用戶定義的故障響應(yīng)?？梢詾槊糠N類型的故障啟用或禁用可編程毛刺濾波器，并選擇相應(yīng)的響應(yīng)操作。
• GPO配置：UCD90320U的84個(gè)GPIO引腳均可配置為命令控制GPO，由PMBus命令控制，可用于控制LED、啟用開關(guān)等。此外，還有16個(gè)專用邏輯GPO（LGPO）引腳，每個(gè)LGPO由內(nèi)部布爾邏輯構(gòu)建器控制。
• 裕度調(diào)節(jié)配置：UCD90320U可為多達(dá)24個(gè)電壓軌提供精確的閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)。通過PMBus接口使用OPERATION命令或配置兩個(gè)GPI引腳作為裕度使能和裕度上下輸入來控制裕度調(diào)節(jié)。
• 引腳選擇軌狀態(tài)配置：用戶可以使用最多3個(gè)GPI引腳控制最多8個(gè)軌狀態(tài)，每個(gè)軌狀態(tài)可啟用或禁用某些軌，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗模式。
• 看門狗定時(shí)器：UCD90320U提供看門狗定時(shí)器（WDT），可通過切換看門狗輸入（WDI）引腳進(jìn)行復(fù)位。如果在編程周期內(nèi)未切換WDI，WDT將超時(shí)，看門狗輸出（WDO）引腳將斷言以提供系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。
• 系統(tǒng)復(fù)位功能：系統(tǒng)復(fù)位功能可通過GPIO引腳生成可編程系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，該信號(hào)在所選軌電壓達(dá)到各自的Power Good On閾值且所選GPI被斷言，并加上可編程延遲時(shí)間后取消斷言。
• 級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備：多個(gè)UCD90320U設(shè)備可以協(xié)同工作，最多4個(gè)GPI引腳可配置為故障引腳，連接到故障總線。當(dāng)檢測(cè)到軌故障時(shí)，相應(yīng)的故障引腳變?yōu)橹鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)低電平狀態(tài)，拉低故障總線，通知所有其他設(shè)備。SYNC_CLK引腳用于單總線時(shí)間同步，主芯片向從設(shè)備提供5 - kHz時(shí)鐘。
• 軌監(jiān)測(cè)：UCD90320U可監(jiān)測(cè)多達(dá)24個(gè)模擬輸入（包括電壓、電流和溫度）和8個(gè)數(shù)字輸入的POWER_GOOD狀態(tài)?？梢允褂肍usion GUI或PMBus接口主機(jī)輪詢數(shù)據(jù)。
• 狀態(tài)監(jiān)測(cè) ：UCD90320U為每個(gè)軌提供狀態(tài)寄存器，故障和警告信息會(huì)記錄到EEPROM存儲(chǔ)器中，可通過Fusion Digital Power Designer軟件和PMBus接口訪問。
• 數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤記錄到EEPROM存儲(chǔ)器：UCD90320U提供故障日志、設(shè)備復(fù)位計(jì)數(shù)器和每個(gè)軌的峰值讀數(shù)。為減少EEPROM存儲(chǔ)器的壓力，當(dāng)測(cè)量值超過先前記錄的值時(shí)，會(huì)啟動(dòng)30秒定時(shí)器，僅將30秒間隔內(nèi)的最高值從RAM寫入EEPROM。
• 黑匣子首次故障記錄：當(dāng)UCD90320U檢測(cè)到首次故障時(shí)，會(huì)將每個(gè)軌和I/O引腳的狀態(tài)記錄并保存到EEPROM的特殊區(qū)域，有助于加速調(diào)試過程。
• PMBus地址選擇：三個(gè)數(shù)字輸入引腳用于解碼PMBus地址，設(shè)備在加電時(shí)檢測(cè)這三個(gè)地址引腳的邏輯輸入，以確定配置的PMBus地址。
• ADC參考：默認(rèn)情況下，使用V33A引腳作為ADC參考電壓是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案，但內(nèi)部電壓參考的總未調(diào)整誤差較高，且V33A引腳的電壓變化會(huì)影響ADC讀數(shù)。為實(shí)現(xiàn)更好的ADC精度，可以連接外部電壓參考到VREFA+和VREFA - 引腳。
• 設(shè)備復(fù)位：UCD90320U具有集成的上電復(fù)位（POR）電路，監(jiān)測(cè)電源電壓。當(dāng)V33D電壓大于(V_{RESET})時(shí)，設(shè)備退出復(fù)位狀態(tài)。也可以通過連接到RESET引腳的外部電路強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。
• 欠壓：當(dāng)V33D引腳電壓低于欠壓閾值電壓(V{BOR})時(shí)，設(shè)備觸發(fā)欠壓事件。在欠壓事件期間，設(shè)備繼續(xù)將故障日志寫入EEPROM，當(dāng)V33D引腳電壓低于關(guān)機(jī)閾值電壓(V{SHDN})時(shí)，設(shè)備完全關(guān)機(jī)。
• 內(nèi)部故障管理：UCD90320U在每次加電時(shí)使用校驗(yàn)和算法驗(yàn)證固件，如果校驗(yàn)和不匹配，設(shè)備將復(fù)位。同時(shí)，還會(huì)進(jìn)行配置校驗(yàn)和驗(yàn)證和故障日志校驗(yàn)和驗(yàn)證，丟棄損壞的日志條目。
• 單事件翻轉(zhuǎn)：UCD90320U采用ULA粒子發(fā)射模塑料減少由α粒子引起的軟錯(cuò)誤，并采用算法檢測(cè)SRAM中的SEU。當(dāng)檢測(cè)到SEU時(shí)，設(shè)備會(huì)嘗試通過復(fù)制數(shù)據(jù)閃存中的數(shù)據(jù)來糾正狀態(tài)變化，并使用MFR_STATUS位14指示SEU事件。

2.3 設(shè)備配置和編程

UCD90320U設(shè)備包含工廠安裝的排序和監(jiān)測(cè)固件，所有I/O引腳預(yù)配置為高阻抗?fàn)顟B(tài)?？梢允褂肍usion Digital Power Designer軟件在線或離線配置設(shè)備，并生成配置文件導(dǎo)入到其他UCD90320U設(shè)備中。支持兩種編程方法：

• PMBus命令通過PMBus和I2C方法：使用PMBus主機(jī)向設(shè)備發(fā)送相應(yīng)參數(shù)，新參數(shù)存儲(chǔ)在關(guān)聯(lián)的內(nèi)存（RAM）位置，發(fā)送完所有參數(shù)后，PMBus主機(jī)發(fā)出特殊命令STORE_DEFAULT_ALL，將RAM數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)閃存）。
• 數(shù)據(jù)閃存映像通過PMBus和I2C方法：使用Fusion Digital Power Designer軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)閃存映像，以Intel Hex、CSV或S - record格式直接下載到設(shè)備的數(shù)據(jù)閃存中，新配置在設(shè)備復(fù)位后生效。

三、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)用信息

UCD90320U可用于對(duì)多達(dá)32個(gè)軌進(jìn)行排序、監(jiān)測(cè)和對(duì)多達(dá)24個(gè)電壓軌進(jìn)行裕度調(diào)節(jié)。通過級(jí)聯(lián)功能，最多四個(gè)UCD90320U設(shè)備可管理多達(dá)128個(gè)軌，并記錄同步故障響應(yīng)。典型應(yīng)用包括自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)等。

3.2 典型應(yīng)用

3.2.1 設(shè)計(jì)要求

• 電容配置：UCD90320U需要在V33D、V33A、BPCAP和（如果適用）VREFA+引腳使用去耦電容，具體電容值在電氣特性表中指定。
• RESET引腳處理：如果應(yīng)用不使用RESET信號(hào)，RESET引腳必須連接到V33D；如果使用RESET外部引腳，RESET信號(hào)的走線應(yīng)盡可能短。
• 模擬輸入電阻：TI建議在低阻抗模擬輸入和AMON引腳之間保持至少200 - Ω的電阻。
• 編程注意事項(xiàng)：不建議使用PMBus命令（項(xiàng)目文件、PMBus寫入腳本文件）方法進(jìn)行生產(chǎn)編程，建議使用數(shù)據(jù)閃存十六進(jìn)制文件或數(shù)據(jù)閃存腳本文件，且在設(shè)備編程期間，V33D電源必須穩(wěn)定，不得觸發(fā)設(shè)備復(fù)位。

3.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

使用Fusion Digital Power Designer軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可在線或離線操作。一般設(shè)計(jì)步驟包括軌設(shè)置、軌監(jiān)測(cè)配置、GPI配置、軌序列配置、故障響應(yīng)配置、GPO配置、裕度調(diào)節(jié)配置以及其他配置（如引腳選擇軌狀態(tài)、看門狗定時(shí)器、系統(tǒng)復(fù)位、同步時(shí)鐘、故障引腳等）。完成配置后，點(diǎn)擊Write to Hardware應(yīng)用更改，在線模式下還需點(diǎn)擊Store RAM to Flash將新配置永久存儲(chǔ)到設(shè)備的數(shù)據(jù)閃存中。

3.2.3 應(yīng)用曲線

文檔中給出了啟動(dòng)波形和關(guān)閉波形的示例，展示了PMBus控制引腳的斷言和去斷言與軌使能信號(hào)的關(guān)系。

四、電源供應(yīng)建議

UCD90320U設(shè)備由3.3 - V電源供電。如果使用內(nèi)部參考，V33A作為ADC參考，電源必須嚴(yán)格調(diào)節(jié)，允許的電壓波動(dòng)非常?。蝗绻褂猛獠繀⒖?，3.3 - V電源只需滿足推薦工作條件表和電氣特性表中的最低要求。

五、布局設(shè)計(jì)

5.1 布局指南

• 去耦電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。
• BPCAP去耦電容應(yīng)盡可能靠近引腳D6連接。
• MARGIN引腳輸出具有快速邊沿的PWM信號(hào)，應(yīng)將這些信號(hào)遠(yuǎn)離敏感模擬信號(hào)布線。
• 電阻R3可放置在電源反饋節(jié)點(diǎn)附近，以隔離反饋節(jié)點(diǎn)免受PCB上噪聲源的影響。

5.2 布局示例

UCD90320U采用169引腳BGA封裝，如果設(shè)計(jì)要求將設(shè)備安裝在頂層，去耦電容可放置在底層，為頂層走線留出空間。布局時(shí)應(yīng)使用統(tǒng)一的接地平面連接DVSS、AVSS和VREFA - 引腳，將所有四個(gè)BPCAP引腳連接到公共內(nèi)層銅區(qū)域，AVSS和VREFA - 引腳也可連接到公共內(nèi)層銅區(qū)域。

六、總結(jié)

UCD90320U作為一款功能強(qiáng)大的32軌PMBus電源排序器和系統(tǒng)管理器，為電子系統(tǒng)的電源管理提供了全面而可靠的解決方案。其豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)使其適用于多種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)要求和布局指南，能夠充分發(fā)揮UCD90320U的性能優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。電子工程師們?cè)诿鎸?duì)多軌電源管理的挑戰(zhàn)時(shí)，UCD90320U無疑是一個(gè)值得考慮的選擇。你在使用類似電源管理設(shè)備時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。