ADM1169：多電源系統(tǒng)的監(jiān)控與排序解決方案

在電子工程師的日常工作中，多電源系統(tǒng)的監(jiān)控與排序是一個關(guān)鍵且復(fù)雜的問題。今天要為大家介紹的Analog Devices的ADM1169 Super Sequencer?，就是一款能夠?yàn)槎嚯娫聪到y(tǒng)提供全面且靈活解決方案的芯片。

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芯片概述

ADM1169是一款可配置的監(jiān)控/排序設(shè)備，能夠?yàn)槎噙_(dá)8個電源提供監(jiān)控和排序功能。它集成了12位ADC和四個8位電壓輸出DAC，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過改變DC - DC轉(zhuǎn)換器的反饋節(jié)點(diǎn)或參考電壓來調(diào)整電源。同時，它還具備非易失性黑匣子故障記錄功能，能記錄多達(dá)16個事件的故障信息，為系統(tǒng)故障排查提供有力支持。

主要特性

1. 全面的電源監(jiān)控與排序：可監(jiān)控多達(dá)8個電源，精度在25°C時可達(dá)<0.5%，在全電壓和溫度范圍內(nèi)可達(dá)<1.0%。4個可選輸入衰減器允許對高達(dá)14.4 V（VH）和6 V（VP1 - VP3）的電源進(jìn)行監(jiān)控。
2. 靈活的輸入輸出配置：4個雙功能輸入（VX1 - VX4），既可以作為電源故障檢測器，也可以作為通用邏輯輸入；8個可編程驅(qū)動輸出（PDO1 - PDO8），支持多種輸出模式，如開集電極、推挽輸出等，其中PDO1 - PDO6還支持內(nèi)部電荷泵高驅(qū)動，可直接驅(qū)動外部NFET。
3. 閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)：4個8位DAC（0.300 V - 1.551 V）用于電壓調(diào)節(jié)，12位ADC用于所有監(jiān)控電壓的回讀，可實(shí)現(xiàn)精確的電源裕量調(diào)節(jié)。
4. 強(qiáng)大的排序引擎：基于狀態(tài)機(jī)控制，提供多達(dá)63種不同狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源上電和下電序列控制、故障事件處理以及警告中斷生成。
5. 非易失性故障記錄：16事件深度的黑匣子非易失性故障記錄功能，可記錄系統(tǒng)故障時的詳細(xì)信息。
6. 標(biāo)準(zhǔn)接口：采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的2線總線接口（SMBus），方便與其他設(shè)備通信和配置。

電源供電

ADM1169由VPx或VH中最高的電壓輸入供電，這種方式提高了設(shè)備的冗余性，因?yàn)樵O(shè)備不依賴于任何特定的電壓軌。VDD仲裁器會選擇合適的電源，仲裁器可看作四個低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的“或”操作。同時，為了減少噪聲，需要在VDDCAP引腳與地之間連接一個外部電容，推薦值為10 μF，該電容在電源短時中斷時還能作為儲能電容，保持設(shè)備正常工作。

當(dāng)使用12 V背板電源為ADM1169供電時，如果涉及熱插拔操作，建議采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，如使用熱插拔控制器或RC濾波網(wǎng)絡(luò)，以防止瞬態(tài)電壓對設(shè)備造成損壞。另外，當(dāng)多個電源電壓相差在100 mV以內(nèi)時，首先控制VDD的電源將保持控制。

輸入功能

電源故障檢測

ADM1169有8個可編程輸入，其中4個為專用電源故障檢測器（SFDs），分別為VH和VPx（VP1 - VP3），另外4個輸入（VX1 - VX4）具有雙功能，既可以作為SFDs，也可以作為CMOS/TTL兼容的邏輯輸入。這些輸入可以配置為檢測欠壓故障、過壓故障或窗口外故障，閾值可通過8位分辨率進(jìn)行編程。

閾值計算

閾值電壓的計算公式為 (V_T = (V_R × N) / 255 + V_B)，其中 (V_T) 是所需的閾值電壓，(V_R) 是電壓范圍，N是8位代碼的十進(jìn)制值，(V_B) 是范圍的下限。通過這個公式，我們可以根據(jù)需要設(shè)置不同的閾值。

輸入比較器遲滯

為了避免輸入接近閾值時的抖動，UV和OV比較器具有數(shù)字可編程遲滯功能。遲滯值的計算公式為 (V_{HYST} = VR × N{THRESH} / 255)，其中 (N_{THRESH}) 是5位遲滯代碼的十進(jìn)制值，最大值為31。

輸入毛刺濾波

SFDs的最后一級是毛刺濾波器，可對比較器輸出進(jìn)行時域?yàn)V波，去除電源開啟時的雜散過渡信號。毛刺濾波器的超時時間可編程，最長可達(dá)100 μs。

VXx輸入的特殊功能

當(dāng)VXx輸入作為數(shù)字輸入時，其模擬功能可作為VPx和VH上的第二個檢測器，用于指示警告級別。例如，當(dāng)VP1的3.3 V電源下降到3.0 V時輸出故障，VX1可以設(shè)置為在3.1 V時輸出警告，警告輸出可從狀態(tài)寄存器中讀取，并可觸發(fā)中斷。

輸出功能

電源排序

ADM1169通過可編程驅(qū)動輸出（PDOs）實(shí)現(xiàn)電源排序，這些輸出可以作為邏輯使能或FET驅(qū)動器。排序引擎（SE）根據(jù)設(shè)備輸入的狀態(tài)控制PDOs的斷言順序，從而控制電源的開啟和關(guān)閉。

PDO輸出配置

PDOs可以編程為多種上拉選項(xiàng)，如開漏、帶弱上拉到VDD或VPx、帶強(qiáng)上拉到VDD或VPx、強(qiáng)下拉到地以及內(nèi)部電荷泵高驅(qū)動（僅PDO1 - PDO6）。數(shù)據(jù)驅(qū)動PDOs的來源有三個：排序引擎輸出、直接來自SMBus和片上時鐘。

默認(rèn)輸出配置

未編程的ADM1169設(shè)備的所有內(nèi)部寄存器初始值為0，PDOx引腳通過一個弱（20 kΩ）的片上下拉電阻拉到地。在電源上電過程中，PDOs的狀態(tài)會根據(jù)輸入電源電壓的變化而變化，提供了一個已知的上電狀態(tài)。

排序引擎

概述

排序引擎（SE）是ADM1169的邏輯核心，它基于狀態(tài)機(jī)控制PDO輸出，狀態(tài)變化取決于輸入事件。SE程序可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的板級控制，如電源上電和下電序列控制、故障事件處理和警告中斷生成，還可以集成看門狗功能。

狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)

SE狀態(tài)機(jī)由63個狀態(tài)單元組成，每個狀態(tài)具有以下屬性：

• 監(jiān)控8個輸入引腳的狀態(tài)信號。
• 可以從任何其他狀態(tài)進(jìn)入。
• 有三個退出路徑：序列檢測、故障監(jiān)控和超時。
• 序列和超時塊的延遲定時器可以獨(dú)立編程，并隨狀態(tài)變化而改變，超時范圍從0 ms到400 ms。
• 定義并固定8個PDO引腳在該狀態(tài)下的輸出條件。
• 狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間小于20 μs。
• 可以觸發(fā)將黑匣子故障和狀態(tài)寄存器寫入EEPROM的黑匣子部分。

應(yīng)用示例

以一個三電源系統(tǒng)的上電序列為例，當(dāng)VP1引腳有良好的5 V電源且VX1引腳保持低電平時，啟動上電序列。首先開啟3.3 V電源，然后開啟2.5 V電源（假設(shè)3.3 V電源成功開啟）。當(dāng)三個電源都正確開啟后，進(jìn)入PWRGD狀態(tài)，直到某個電源出現(xiàn)故障或接收到下電指令。在這個過程中，序列檢測器、監(jiān)控故障檢測器和超時檢測器會協(xié)同工作，確保電源的正常開啟和故障處理。

故障與狀態(tài)報告

ADM1169有一個故障鎖存器用于記錄故障，兩個寄存器（FSTAT1和FSTAT2）專門用于此目的。每個輸入分配一個單獨(dú)的位，當(dāng)該輸入發(fā)生故障時，相應(yīng)的位會被置位。通過SMBus可以讀取故障寄存器的內(nèi)容，以確定哪個輸入發(fā)生了故障。故障寄存器可以在每個狀態(tài)下啟用或禁用，以確保只捕獲真正的故障。

此外，ADM1169還有多個狀態(tài)寄存器，提供更詳細(xì)的信息，如特定輸入是否存在欠壓或過壓故障、ADC限制故障等。這些寄存器分為兩組，一組不鎖存，可隨時響應(yīng)輸入變化；另一組在序列引擎狀態(tài)改變時更新，并鎖存直到下一次狀態(tài)改變。

非易失性黑匣子故障記錄

記錄方式

EEPROM的一部分（地址從0xF900到0xF9FF）默認(rèn)可用于存儲用戶定義的設(shè)置和信息，其中地址從0xF980到0xF9FF可用于存儲多達(dá)16個故障記錄。任何排序引擎狀態(tài)都可以指定為黑匣子寫入狀態(tài)，當(dāng)排序引擎進(jìn)入該狀態(tài)時，會將故障記錄寫入EEPROM。

記錄內(nèi)容

每個故障記錄包含以下信息：

• 寫入故障記錄后設(shè)置為0的標(biāo)志位。
• 故障記錄寫入狀態(tài)之前的前一個狀態(tài)的狀態(tài)號。
• 導(dǎo)致前一個狀態(tài)退出的是序列、超時還是監(jiān)控條件。
• UVSTATx和OVSTATx輸入比較器狀態(tài)。
• VXx GPISTAT狀態(tài)。
• LIMSTATx狀態(tài)。
• 校驗(yàn)和字節(jié)。

注意事項(xiàng)

故障記錄器只能寫入EEPROM，不能在寫入之前擦除EEPROM。因此，在使用前必須擦除故障記錄EEPROM，以確保正確操作。當(dāng)所有故障記錄的EEPROM位置都被使用后，將不再寫入新的故障記錄，確保第一個故障不會被覆蓋。為了避免故障記錄器填滿和故障記錄丟失，應(yīng)用程序可以定期輪詢ADM1169，或者使用一個PDO輸出為處理器生成中斷信號，提示有故障記錄需要讀取。讀取故障記錄后，需要先擦除EEPROM部分，然后重置故障記錄器，以便再次使用。

電壓回讀

ADM1169配備了一個板載12位高精度ADC，用于通過SMBus進(jìn)行電壓回讀。ADC前端有一個8通道模擬多路復(fù)用器，可選擇讀取VH、VPx和VXx等8個SFD輸入。ADC可以對單端輸入進(jìn)行采樣，輸入電壓與輸出代碼呈線性關(guān)系。電壓計算公式為 (V = (ADCCode / 4095) × 衰減因子 × V{REFIN})，其中 (V{REFIN}) 為2.048 V（當(dāng)使用內(nèi)部參考時）。

此外，ADC還提供了另一種電源監(jiān)控功能，用戶可以通過設(shè)置限制寄存器來編程最大或最小允許閾值，超過閾值會生成警告信號，可從狀態(tài)寄存器讀取或輸入到SE中進(jìn)行相應(yīng)的排序操作。但需要注意的是，由于ADC轉(zhuǎn)換時間的限制，這種監(jiān)控方式不如SFDs實(shí)時性強(qiáng)。

電源裕量調(diào)節(jié)

概述

在系統(tǒng)設(shè)計中，調(diào)節(jié)電源以優(yōu)化其電平或使其偏離標(biāo)稱值來表征系統(tǒng)性能是很常見的需求。ADM1169提供了開環(huán)和閉環(huán)兩種電源裕量調(diào)節(jié)方法。

開環(huán)裕量調(diào)節(jié)

開環(huán)裕量調(diào)節(jié)是一種簡單的方法，通過將額外的電阻切換到電源模塊（如DC - DC轉(zhuǎn)換器或低壓差穩(wěn)壓器）的反饋節(jié)點(diǎn)，改變反饋或調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的電壓，從而使輸出電壓上升或下降一定量。ADM1169的四個板載電壓DAC（DAC1 - DAC4）可以驅(qū)動到要調(diào)節(jié)的電源模塊的反饋引腳，通過調(diào)節(jié)DAC輸出電壓來控制電源輸出。

閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)

閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)是一種更精確和全面的方法。ADM1169通過12位逐次逼近ADC讀取要調(diào)節(jié)的電源電壓，并結(jié)合六個電壓輸出DAC來調(diào)整電源電平。通過不斷比較和調(diào)整，可將任何DC - DC轉(zhuǎn)換器或LDO電源設(shè)置為目標(biāo)電壓，精度可達(dá)±0.5%。實(shí)現(xiàn)閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)的步驟包括禁用DAC輸出、設(shè)置DAC輸出電壓等于反饋節(jié)點(diǎn)電壓、啟用DAC、讀取電源輸出電壓、根據(jù)需要調(diào)整DAC輸出代碼，直到達(dá)到目標(biāo)電壓。

DAC設(shè)置

ADM1169提供四個DAC范圍，可將中碼（代碼0x7F）設(shè)置在0.6 V、0.8 V、1.0 V和1.25 V，以對應(yīng)最常見的反饋電壓。DAC輸出電壓由寫入DACx寄存器的代碼決定，計算公式為 (DAC Output = (DACx - 0x7F) / 255 × 0.6015 + V{OFF})，其中 (V{OFF}) 是四個偏移電壓之一。

衰減電阻選擇

衰減電阻R3的大小決定了DAC電壓擺幅對要調(diào)節(jié)的DC - DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓的影響程度。根據(jù)公式 (Delta V{OUT} = (R1 / R3) × (V{FB} - V_{DACOUT}))，可以選擇合適的衰減電阻，以充分利用DAC的分辨率。

安全特性

為了防止固件錯誤導(dǎo)致電源超出允許的輸出范圍，ADM1169提供了限制寄存器（DPLIMx和DNLIMx），對寫入DACx寄存器的代碼進(jìn)行限制。如果DNLIMx > DPLIMx，DAC輸出緩沖器將被三態(tài)化，從而提高系統(tǒng)的安全性。

通信與配置

上電配置下載

ADM1169的配置由RAM中的內(nèi)容決定，RAM由數(shù)字鎖存器組成，這些鎖存器是雙緩沖的，有兩個相同的鎖存器（Latch A和Latch B）。在電源上電時，需要從EEPROM（非易失性存儲器）下載配置到本地鎖存器，具體步驟包括：無電源時PDOs為高阻抗；輸入電壓達(dá)到1.2 V時，PDOs通過20 kΩ電阻弱拉到地；電源超過欠壓鎖定（UVLO為2.5 V）時，EEPROM開始下載到RAM；先下載到Latch A，然后同時下載到Latch B；配置下載完成0.5 ms后，從EEPROM下載第一個狀態(tài)定義到SE。

配置更新

上電后，用戶可能需要更改ADM1169的配置，如更改SFD的欠壓或過壓限制、調(diào)整PDO的上升時間延遲等。ADM1169提供了三種更新配置的選項(xiàng)：實(shí)時更新、更新Latch A而不更新Latch B、更改EEPROM寄存器內(nèi)容并下載到RAM。這些選項(xiàng)通過UPDCFG寄存器進(jìn)行控制。

排序引擎更新

排序引擎（SE）有自己獨(dú)立的512字節(jié)EEPROM用于存儲狀態(tài)定義。要更改狀態(tài)，必須直接對EEPROM進(jìn)行修改，因?yàn)槊總€狀態(tài)沒有對應(yīng)的RAM。

內(nèi)部寄存器

ADM1169包含大量數(shù)據(jù)寄存器，主要包括地址指針寄存器和配置寄存器。地址指針寄存器用于選擇其他內(nèi)部寄存器的地址，配置寄存器用于控制和配置ADM1169的各種操作參數(shù)。

EEPROM

ADM1169有兩個512字節(jié)的非易失性EEPROM，分別用于存儲配置數(shù)據(jù)、用戶信息、故障記錄和SE的狀態(tài)定義。EEPROM可以通過串行總線進(jìn)行讀寫操作，但寫入前必須先擦除，且寫入速度比寫入RAM慢，寫入周期有限，通常為10,000次寫入操作。

串行總線接口

ADM1169通過串行系統(tǒng)管理總線（SMBus）進(jìn)行控制，作為從設(shè)備連接到總線上。設(shè)備上電后約1 ms完成從EEPROM的下載，在此之前訪問設(shè)備會返回?zé)o應(yīng)答（NACK）。ADM1169有一個7位串行總線從地址，可通過A1和A0引腳設(shè)置，允許四個ADM1169設(shè)備連接到一個SMBus上。

SMBus協(xié)議

SMBus協(xié)議包括寫操作和讀操作，寫操作有發(fā)送字節(jié)、寫字節(jié)/字和塊寫三種協(xié)議，讀操作有接收字節(jié)和塊讀兩種協(xié)議。此外，ADM1169還提供了數(shù)據(jù)包錯誤檢查（PEC）字節(jié)選項(xiàng)，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。

總結(jié)

ADM1169是一款功能強(qiáng)大、靈活且全面的多電源系統(tǒng)監(jiān)控與排序解決方案。它不僅提供了精確的電源監(jiān)控、靈活的排序控制和全面的故障記錄功能，還具備方便的通信接口和多種配置選項(xiàng)。無論是在中央辦公系統(tǒng)、服務(wù)器/路由器、多電壓系統(tǒng)線卡還是DSP/FPGA電源排序等應(yīng)用中，ADM1169都能發(fā)揮重要作用。

各位電子工程師在實(shí)際項(xiàng)目中遇到多電源系統(tǒng)監(jiān)控與排序問題時，可以考慮ADM1169這款芯片，相信它會為你的設(shè)計帶來便利和可靠的保障。你在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。