UCD9090：10軌電源排序器與監(jiān)控器的深度解析

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。對(duì)于那些包含CPU、DSP、微控制器、FPGA、ASIC等的電子系統(tǒng)，往往需要多個(gè)電壓軌，并對(duì)電源的開啟和關(guān)閉順序有嚴(yán)格要求，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。TI的UCD9090就是一款能夠滿足這些需求的10軌PMBus/I2C可尋址電源排序器和監(jiān)控器。下面，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：ucd9090.pdf

1. 產(chǎn)品概述

UCD9090是一款功能強(qiáng)大的電源管理芯片，它集成了12位ADC，可監(jiān)控多達(dá)10個(gè)電源電壓輸入。23個(gè)GPIO引腳可用于電源啟用、上電復(fù)位信號(hào)、外部中斷、級(jí)聯(lián)或其他系統(tǒng)功能，其中10個(gè)引腳還具備PWM功能。通過這些引腳，UCD9090支持裕度調(diào)節(jié)和通用PWM功能。

1.1 主要特性

• 靈活的電源狀態(tài)控制：通過引腳選擇的軌狀態(tài)功能，最多可使用3個(gè)GPI來啟用和禁用任何軌，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗模式和ACPI規(guī)范。
• 多軌監(jiān)控與排序：能夠監(jiān)控和排序10個(gè)電壓軌，所有軌每400μs采樣一次，采用12位ADC和2.5V、0.5%的內(nèi)部 (V_{REF}) ，可根據(jù)時(shí)間、軌和引腳依賴關(guān)系進(jìn)行排序，每個(gè)監(jiān)控器有四個(gè)可編程的欠壓和過壓閾值。
• 直觀的配置軟件：TI Fusion Digital Power? 設(shè)計(jì)器軟件提供設(shè)備配置，基于PC的用戶界面（UI）為配置、存儲(chǔ)和監(jiān)控所有系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)提供了直觀的操作方式。
• 非易失性錯(cuò)誤和峰值記錄：每個(gè)監(jiān)控器具有非易失性錯(cuò)誤和峰值值記錄功能（最多30條故障詳細(xì)條目）。
• 閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)：支持10個(gè)軌的閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)，裕度輸出可調(diào)整軌電壓以匹配用戶定義的裕度閾值。
• 可編程看門狗定時(shí)器和系統(tǒng)復(fù)位：確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 封裝信息

UCD9090采用VQFN (48) 封裝，尺寸為7.00 mm × 7.00 mm。

2. 產(chǎn)品應(yīng)用

UCD9090適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括工業(yè)和ATE、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)等，只要是需要對(duì)多個(gè)電源軌進(jìn)行排序和監(jiān)控的系統(tǒng)，都可以使用UCD9090。

3. 詳細(xì)特性分析

3.1 TI Fusion用戶界面（UI）

TI的Fusion Digital Power Designer提供了基于PC的圖形用戶界面（GUI），通過直觀的I2C/PMBus接口與設(shè)備進(jìn)行交互。設(shè)計(jì)工程師可以在不直接使用PMBus命令的情況下，配置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，將配置存儲(chǔ)到片上非易失性存儲(chǔ)器中，并觀察系統(tǒng)狀態(tài)（如電壓等）。該軟件可以從www.ti.com下載。

3.2 PMBus接口

UCD9090支持PMBus標(biāo)準(zhǔn)1.1版本，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)PMBus命令來支持設(shè)備功能。對(duì)于UCD9090的獨(dú)特功能，定義了MFR_SPECIFIC命令來進(jìn)行配置或激活。該設(shè)備符合PMBus規(guī)范，固件也符合SMBus 1.1規(guī)范，支持SMBus ALERT功能，硬件可支持100-kHz或400-kHz的PMBus操作。

3.3 軌配置

一個(gè)軌包括電壓、電源啟用和裕度輸出。用戶可以定義電源軌在特定系統(tǒng)中的運(yùn)行方式，然后選擇模擬輸入引腳和GPIO來監(jiān)控和啟用每個(gè)電源。配置完成后，還可以從Vout Config選項(xiàng)卡中為每個(gè)軌選擇其他關(guān)鍵監(jiān)控和排序標(biāo)準(zhǔn)，如標(biāo)稱工作電壓、欠壓和過壓警告及故障限制、裕度低和裕度高值、電源良好開啟和關(guān)閉限制等。

3.4 設(shè)備功能模式

3.4.1 電源排序

UCD9090可以通過GPIO設(shè)置電源啟用引腳的高低來控制多達(dá)10個(gè)電壓軌的開啟和關(guān)閉順序。在基于PMBus的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)PMBus主設(shè)備可以通過斷言PMBus_CNTRL引腳或通過I2C串行總線發(fā)送OPERATION命令來啟動(dòng)排序事件。在基于引腳的設(shè)計(jì)中，PMBus_CNTRL引腳也可用于排序。每個(gè)軌的開啟和關(guān)閉排序有多種選項(xiàng)可供選擇，如固定延遲時(shí)間、依賴其他軌達(dá)到調(diào)節(jié)狀態(tài)等。

3.4.2 引腳選擇的軌狀態(tài)

該功能允許使用最多3個(gè)GPI來啟用和禁用任何軌，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗模式和ACPI規(guī)范。通過配置GPI引腳，可以選擇8種系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)輸入引腳呈現(xiàn)新狀態(tài)時(shí)，軌將根據(jù)其排序依賴關(guān)系改變狀態(tài)。

3.4.3 監(jiān)控功能

• 電壓監(jiān)控：UCD9090有11個(gè)監(jiān)控輸入引腳（MONx），可配置為測(cè)量電壓信號(hào)，以報(bào)告電壓、電流和溫度類型的測(cè)量值。其中，MON1 - MON6可使用數(shù)字硬件比較器，實(shí)現(xiàn)更快的故障響應(yīng)。
• 電流監(jiān)控：通過外部電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓，使用模擬輸入進(jìn)行電流監(jiān)控。測(cè)量值通過滑動(dòng)平均數(shù)字濾波器進(jìn)行平滑處理，減少誤報(bào)故障的概率。
• 遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控和內(nèi)部溫度傳感器：支持內(nèi)部和遠(yuǎn)程溫度傳感，內(nèi)部溫度傳感器無需校準(zhǔn)，可通過PMBus接口報(bào)告設(shè)備溫度；遠(yuǎn)程溫度傳感器可通過配置增益和偏移來報(bào)告遠(yuǎn)程溫度。
• 主機(jī)輸入溫度：主機(jī)系統(tǒng)可以通過PMBus向UCD9090提供所需的溫度，用于檢測(cè)過溫警告或故障、記錄峰值溫度等。

3.4.4 故障響應(yīng)和警報(bào)處理

UCD9090監(jiān)控軌是否在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，有兩個(gè)可編程的警告級(jí)別（欠壓和過壓）和兩個(gè)可編程的故障級(jí)別（欠壓和過壓）。當(dāng)任何監(jiān)控電壓超出警告或故障窗口時(shí)，PMBALERT引腳將立即斷言，并在PMBus狀態(tài)寄存器中設(shè)置相應(yīng)的位。設(shè)備還支持多種故障響應(yīng)選項(xiàng)，如繼續(xù)無中斷、立即關(guān)閉、使用延遲關(guān)閉、重啟等。

3.4.5 關(guān)閉所有軌并重新排序

在發(fā)生故障或收到RESEQUENCE命令時(shí)，UCD9090可以配置為關(guān)閉一組軌，然后重新排序。所有被指定為故障關(guān)閉從軌的軌將進(jìn)行軟關(guān)閉，直到重試次數(shù)用盡后才執(zhí)行重新排序操作。

3.4.6 GPIO功能

UCD9090有21個(gè)GPIO引腳，可作為輸入或輸出。每個(gè)GPIO具有可配置的輸出模式選項(xiàng)，如開漏或推挽輸出。GPIO引腳可用于排序和警報(bào)處理中的依賴項(xiàng)，也可用于系統(tǒng)級(jí)功能，如外部中斷、電源良好信號(hào)、復(fù)位或多個(gè)設(shè)備的級(jí)聯(lián)。

3.4.7 GPO控制

GPIO配置為輸出時(shí)，可以通過PMBus命令或內(nèi)部布爾函數(shù)塊中定義的邏輯進(jìn)行控制。通過PMBus命令控制GPO可以用于控制LED、啟用開關(guān)等。

3.4.8 GPO依賴關(guān)系

GPIOs可以配置為基于最多兩個(gè)AND組合的輸出，輸入可以包括GPO、GPI和軌狀態(tài)標(biāo)志。GPO響應(yīng)可以配置為具有延遲斷言或取消斷言。

3.4.9 GPI特殊功能

GPIs有五種特殊輸入功能，如GPI故障啟用、鎖存狀態(tài)清除源、裕度啟用輸入源、裕度低/非高輸入源等。

3.4.10 電源啟用引腳

每個(gè)GPIO可以配置為電源啟用引腳，具有有源低或有源高極性。在復(fù)位期間，GPIO引腳為高阻抗，F(xiàn)PWM/GPIO引腳（引腳10至17）被驅(qū)動(dòng)為低電平。

3.4.11 多設(shè)備級(jí)聯(lián)

• 連接GPIO引腳到PMBus_CNTRL引腳：通過將一個(gè)設(shè)備的GPIO引腳作為電源良好輸出連接到另一個(gè)設(shè)備的PMBus_CNTRL輸入引腳，可以創(chuàng)建多個(gè)設(shè)備之間的主從關(guān)系。
• 連接GPIO引腳到MON引腳：將一個(gè)設(shè)備的電源良好輸出連接到另一個(gè)設(shè)備的MON引腳，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的軌排序。

3.4.12 PWM輸出

• FPWM1 - 8：引腳10 - 17可配置為快速脈沖寬度調(diào)制器（FPWMs），頻率范圍為15.260 kHz至125 MHz，可用于閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)、風(fēng)扇控制或通用PWM。
• PWM1 - 2：引腳22和23可作為GPI或PWM輸出，輸出頻率為0.93 Hz至7.8125 MHz。

3.4.13 可編程多相PWM

FPWMs可以參考其相位進(jìn)行對(duì)齊，每個(gè)FPWM的相位可從0°到360°進(jìn)行配置，為基于PWM的應(yīng)用提供了靈活性。

3.4.14 裕度調(diào)節(jié)

裕度調(diào)節(jié)用于產(chǎn)品驗(yàn)證測(cè)試，可通過PMBus使用OPERATION命令或配置兩個(gè)GPIO引腳作為裕度啟用和裕度上下輸入進(jìn)行控制。支持開環(huán)和閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)。

3.4.15 運(yùn)行時(shí)鐘

運(yùn)行時(shí)鐘以毫秒和天為單位，存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中?？梢酝ㄟ^主機(jī)進(jìn)行校正和初始化，用于記錄故障時(shí)間戳。

3.4.16 系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)

UCD9090可以生成可編程的系統(tǒng)復(fù)位脈沖，通過編程GPIO在特定軌或軌組合達(dá)到其POWER_GOOD_ON電平加上可編程延遲時(shí)間后保持取消斷言。

3.4.17 看門狗定時(shí)器

GPI和GPO可以配置為看門狗定時(shí)器（WDT），WDT可以獨(dú)立于電源排序或與作為看門狗輸出（WDO）的GPIO相關(guān)聯(lián)。WDT可以通過切換看門狗輸入（WDI）引腳或通過I2C寫入SYSTEM_WATCHDOG_RESET進(jìn)行復(fù)位。

3.4.18 數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤記錄到閃存

UCD9090可以將故障和設(shè)備復(fù)位次數(shù)記錄到閃存中，每個(gè)軌的峰值電壓測(cè)量值也會(huì)存儲(chǔ)。為減少閃存壓力，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寫入閃存。

3.4.19 欠壓功能

UCD9090可以啟用欠壓功能，在檢測(cè)到欠壓事件（ (V_{CC}) 低于2.9 V）之前關(guān)閉所有非易失性記錄。該功能可以提高設(shè)備對(duì)事件的內(nèi)部響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樵谡Ｏ到y(tǒng)運(yùn)行期間禁用了閃存寫入。

3.4.20 PMBus地址選擇

通過兩個(gè)引腳解碼PMBus地址，在電源上電時(shí)，設(shè)備向每個(gè)地址檢測(cè)引腳施加偏置電流，內(nèi)部12位ADC捕獲引腳電壓，根據(jù)電壓計(jì)算PMBus地址。

3.4.21 設(shè)備復(fù)位

UCD9090具有集成的上電復(fù)位（POR）電路，當(dāng) (V_{33 D}) 大于VRESET時(shí)，設(shè)備退出復(fù)位狀態(tài)。也可以通過外部電路連接到RESET引腳強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

3.4.22 JTAG接口

JTAG端口可用于生產(chǎn)編程，四個(gè)JTAG引腳在正常操作期間也可作為GPIOs使用。JTAG接口默認(rèn)禁用，在特定條件下（如數(shù)據(jù)閃存為空或檢測(cè)到地址126 (0x7E) ）啟用。

3.4.23 內(nèi)部故障管理和內(nèi)存錯(cuò)誤校正（ECC）

UCD9090在每次上電時(shí)驗(yàn)證固件校驗(yàn)和和設(shè)備配置校驗(yàn)和，如果不匹配，會(huì)加載工廠默認(rèn)配置并斷言PMBALERT#引腳。使用錯(cuò)誤校正碼（ECC）提高數(shù)據(jù)完整性，檢測(cè)和糾正數(shù)據(jù)閃存中的單比特錯(cuò)誤。

4. 編程方法

從工廠出廠時(shí)，設(shè)備包含排序和監(jiān)控固件，所有GPO為高阻抗（除了FPWM/GPIO引腳10 - 17被驅(qū)動(dòng)為低電平）。用戶可以使用Fusion GUI設(shè)計(jì)配置文件，然后通過以下三種方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置編程：

• 通過I2C使用PMBus命令：主機(jī)微控制器可以通過I2C使用PMBus命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程，配置數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備后，通過特殊命令STORE_DEFAULT_ALL將其轉(zhuǎn)移到非易失性存儲(chǔ)器中。
• 生成PMBus或I2C命令腳本文件：Fusion GUI可以創(chuàng)建PMBus或I2C命令腳本文件，用于I2C主設(shè)備配置設(shè)備。
• 創(chuàng)建數(shù)據(jù)閃存映像：Fusion GUI可以從配置文件創(chuàng)建數(shù)據(jù)閃存映像，以Intel Hex、Serial Vector Format (SVF) 和S-record等格式導(dǎo)出，通過I2C或JTAG下載到設(shè)備中。

5. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 典型應(yīng)用

UCD9090可用于對(duì)多達(dá)10個(gè)電壓軌進(jìn)行排序、監(jiān)控和裕度調(diào)節(jié)，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。

5.2 設(shè)計(jì)要求

• TRST引腳必須有一個(gè)10-kΩ下拉電阻接地。
• RESET引腳應(yīng)連接一個(gè)10-kΩ上拉電阻到V33D，并連接一個(gè)1-nF去耦電容到地。
• 建議在PMBus主機(jī)中啟用數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤檢查（PEC），以避免接收錯(cuò)誤的PMBus命令。
• 建議使用欠壓功能和電路，以防止故障日志在電源下降時(shí)損壞。
• 不要使用RESET引腳對(duì)軌進(jìn)行電源循環(huán)，應(yīng)使用PMBus_CNTRL引腳或引腳選擇的軌狀態(tài)功能。
• 不建議將一對(duì)FPWM引腳同時(shí)配置為軌啟用和PWM功能。
• 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，以避免GPIO引腳出現(xiàn)意外行為。
• 設(shè)備編程期間，V33D電源必須穩(wěn)定，避免設(shè)備復(fù)位，以免數(shù)據(jù)閃存損壞。

5.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

使用Fusion GUI可以在線或離線設(shè)計(jì)設(shè)備配置，一般設(shè)計(jì)步驟包括：

1. 軌設(shè)置
2. 軌監(jiān)控配置
3. GPI配置
4. 軌序列配置
5. 故障響應(yīng)配置
6. GPO配置
7. 裕度配置
8. 其他配置，如引腳選擇的軌狀態(tài)、看門狗定時(shí)器、系統(tǒng)復(fù)位等

6. 電源供應(yīng)建議

UCD9090應(yīng)使用3.3-V電源供電，上電時(shí)，V33D必須以最小0.25 V/ms的轉(zhuǎn)換速率從2.3 V單調(diào)上升到2.9 V。

7. 布局指南

• 熱焊盤應(yīng)連接到印刷電路板（PCB）的 (V{SS}) 引腳，并提供至少4 × 4的PCB過孔圖案，將熱焊盤和 (V{SS}) 引腳連接到其他PCB層的電路接地。
• 為電源引腳提供旁路電容，如在引腳35（BPCAP）使用1-μF、X7R陶瓷電容與0.01-μF、X7R陶瓷電容并聯(lián)，在引腳33（V33D）和引腳34（V33A）使用0.1-μF、X7R陶瓷電容與4.7-μF、X5R陶瓷電容并聯(lián)。
• V33D（引腳33）直接連接到3.3V電源，V33A（引腳34）通過4.99-Ω電阻連接到V33D，以形成低通濾波器，減少V33A上的噪聲。
• 對(duì)于用作數(shù)字輸出的GPIO信號(hào)，可能需要進(jìn)行阻抗控制，以減少快速信號(hào)邊緣的噪聲。

UCD9090是一款功能豐富、性能強(qiáng)大的電源管理芯片，適用于多種需要多軌電源排序和監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)景。通過合理的配置和使用，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用UCD9090的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。