UCD90320：32軌PMBus電源排序器與系統(tǒng)管理器的深度解析

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)于需要多電壓軌供電的復(fù)雜系統(tǒng)，如CPU、DSP、微控制器、FPGA和ASIC等，確保正確的電源開啟和關(guān)閉順序以及實(shí)時(shí)監(jiān)控電源狀態(tài)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。TI推出的UCD90320 32軌PMBus電源排序器和系統(tǒng)管理器，為解決這些問題提供了強(qiáng)大的解決方案。

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一、UCD90320簡(jiǎn)介

UCD90320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。它集成了24個(gè)ADC通道（AMONx）用于監(jiān)測(cè)電源電壓、電流和溫度，還有84個(gè)GPIO引腳，可靈活配置用于不同功能，如數(shù)字監(jiān)測(cè)、電源使能、裕度調(diào)節(jié)等。

1.1 主要特性

• 多軌控制與監(jiān)測(cè)：能夠?qū)?4個(gè)電壓軌和8個(gè)數(shù)字軌進(jìn)行排序、監(jiān)測(cè)和裕度調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)控過壓（OV）、欠壓（UV）、過流（OC）、欠流（UC）、溫度、超時(shí)和GPI觸發(fā)的故障，并做出響應(yīng)。
• 靈活的排序功能：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)雜的電源排序應(yīng)用。
• AVID電壓調(diào)節(jié)器支持：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。
• 高精度閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)：實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)裕度調(diào)節(jié)，有效提高系統(tǒng)可靠性。
• 主動(dòng)微調(diào)功能：通過主動(dòng)微調(diào)功能，提高軌輸出電壓的精度。
• 高級(jí)非易失性事件記錄：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，方便系統(tǒng)調(diào)試和故障分析。
• 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)。
• 可編程看門狗定時(shí)器和系統(tǒng)復(fù)位：增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 引腳選擇軌狀態(tài)：支持通過引腳選擇軌狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗模式。
• PMBus 1.2兼容：符合PMBus 1.2標(biāo)準(zhǔn)，便于與其他設(shè)備進(jìn)行通信。
• 雙銀行配置：提供雙銀行配置，在編程時(shí)提供故障安全狀態(tài)。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

UCD90320廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)中心和企業(yè)計(jì)算、工廠自動(dòng)化和控制、測(cè)試和測(cè)量以及醫(yī)療設(shè)備等。

二、詳細(xì)特性分析

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），為設(shè)計(jì)工程師提供了直觀的I2C和PMBus接口，無需直接使用PMBus命令即可配置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。通過該軟件，工程師可以將配置存儲(chǔ)到片上非易失性存儲(chǔ)器中，并實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)狀態(tài)，如電壓、電流、溫度和故障等信息。

2.2 PMBus接口

UCD90320支持PMBus 1.2標(biāo)準(zhǔn)，該接口基于SMBus接口，建立在I2C物理規(guī)范之上。標(biāo)準(zhǔn)的PMBus接口命令支持設(shè)備的基本功能，而獨(dú)特的功能則通過MFR_SPECIFIC命令進(jìn)行配置或激活。設(shè)備的固件符合SMBus 1.2規(guī)范，包括對(duì)SMBus ALERT功能的支持，硬件支持100 - kHz或400 - kHz的PMBus操作。

2.3 軌設(shè)置

在Fusion Digital Power Designer軟件的Pin Assignment選項(xiàng)卡中，可以對(duì)電源軌進(jìn)行設(shè)置。UCD90320擁有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。

2.4 設(shè)備功能模式

2.4.1 軌監(jiān)測(cè)配置

在Pin Assignment選項(xiàng)卡中設(shè)置軌后，可在Vout Config選項(xiàng)卡中對(duì)所選軌的電壓監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行配置。每個(gè)軌都有一個(gè)由九個(gè)閾值組成的軌配置文件，包括VOUT_COMMAND、VOUT_OV_FAULT_LIMIT等。設(shè)備提供50個(gè)單獨(dú)的配置文件，供24個(gè)AMON電壓軌共享，每個(gè)軌至少有一個(gè)但不超過四個(gè)配置文件，這些配置文件由2個(gè)GPI控制。

2.4.2 GPI配置

UCD90320的84個(gè)GPIO引腳中，最多32個(gè)可配置為GPI。GPI的極性可配置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，也可用于級(jí)聯(lián)功能。此外，每個(gè)GPI還可分配四種特殊行為，如GPI故障、清除鎖存狀態(tài)源、裕度使能輸入源和調(diào)試引腳等。

2.4.3 軌序列配置

通過Vout Config選項(xiàng)卡可對(duì)軌序列進(jìn)行配置。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)軌可設(shè)置開啟和關(guān)閉超時(shí)時(shí)間，超時(shí)后可執(zhí)行等待無限期、啟用或禁用軌、重新排序等操作。

2.4.4 故障響應(yīng)配置

當(dāng)故障閾值達(dá)到時(shí)，設(shè)備會(huì)執(zhí)行斷言PMBus ALERT線、將故障事件記錄到非易失性存儲(chǔ)器和執(zhí)行用戶定義的故障響應(yīng)三個(gè)操作?？赏ㄟ^Fault Responses and Limits選項(xiàng)卡對(duì)故障響應(yīng)進(jìn)行配置，為每種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)動(dòng)作。

2.4.5 GPO配置

UCD90320的84個(gè)GPIO引腳都可配置為命令控制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)專用的邏輯GPO（LGPO）引腳，由內(nèi)部布爾邏輯構(gòu)建器控制，可配置為簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)。

2.4.6 裕度調(diào)節(jié)配置

UCD90320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)。裕度調(diào)節(jié)可通過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進(jìn)行控制。在不進(jìn)行裕度調(diào)節(jié)時(shí)，裕度引腳可工作在三態(tài)、主動(dòng)微調(diào)或主動(dòng)占空比模式。

2.4.7 引腳選擇軌狀態(tài)配置

用戶可使用最多三個(gè)GPI引腳控制多達(dá)八個(gè)軌狀態(tài)，每個(gè)軌狀態(tài)可啟用或禁用某些軌，該功能有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗模式，如符合ACPI規(guī)范的模式。

2.4.8 看門狗定時(shí)器

UCD90320提供一個(gè)可編程的看門狗定時(shí)器（WDT），可通過切換看門狗輸入（WDI）引腳進(jìn)行復(fù)位。如果WDI在編程的時(shí)間段內(nèi)未被切換，WDT將超時(shí)，此時(shí)看門狗輸出（WDO）引腳將被斷言，提供系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。

2.4.9 系統(tǒng)復(fù)位功能

系統(tǒng)復(fù)位功能可通過GPIO引腳生成可編程的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。當(dāng)所選軌電壓達(dá)到各自的Power Good On閾值且所選GPI被斷言，并經(jīng)過可編程的延遲時(shí)間后，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)將被取消斷言。

2.4.10 級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備

多個(gè)UCD90320設(shè)備可協(xié)同工作，通過最多四個(gè)配置為故障引腳的GPI連接到故障總線，實(shí)現(xiàn)故障通知的協(xié)調(diào)。同時(shí)，SYNC_CLK引腳作為單線時(shí)間同步方法，為多個(gè)設(shè)備提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，使其能夠同時(shí)響應(yīng)相同的故障事件。

2.4.11 軌監(jiān)測(cè)

UCD90320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（用于POWER_GOOD）?？墒褂肍usion GUI或PMBus接口主機(jī)輪詢?cè)O(shè)備數(shù)據(jù)，F(xiàn)usion GUI會(huì)在Monitor頁面顯示監(jiān)測(cè)到的軌電壓、電流和溫度信息。

2.4.12 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

UCD90320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，以便系統(tǒng)故障排除。狀態(tài)寄存器和故障日志可通過Fusion Digital Power Designer軟件和PMBus接口訪問。

2.4.13 數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤記錄到EEPROM存儲(chǔ)器

UCD90320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)一個(gè)30秒的定時(shí)器，僅將該30秒間隔內(nèi)的最高值從RAM寫入EEPROM。

2.4.14 黑匣子首次故障記錄

UCD90320引入了創(chuàng)新的黑匣子故障記錄功能，當(dāng)檢測(cè)到首次故障時(shí)，設(shè)備會(huì)記錄并保存每個(gè)軌和I/O引腳的狀態(tài)到EEPROM的特殊區(qū)域，有助于加速調(diào)試過程。

2.4.15 PMBus地址選擇

UCD90320通過三個(gè)數(shù)字輸入引腳解碼PMBus地址，在上電時(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。

2.4.16 ADC參考

默認(rèn)情況下，使用V33A引腳作為ADC參考電壓可提供具有成本效益的解決方案，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，可將外部電壓參考連接到VREFA +和VREFA -引腳。

2.4.17 設(shè)備復(fù)位

UCD90320具有集成的上電復(fù)位（POR）電路，監(jiān)測(cè)電源電壓。上電時(shí)，當(dāng)V33D引腳電壓大于VRESET時(shí)，設(shè)備退出復(fù)位狀態(tài)。也可通過連接到RESET引腳的外部電路將設(shè)備強(qiáng)制進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

2.4.18 欠壓保護(hù)

當(dāng)V33D引腳電壓降至欠壓閾值電壓（VBOR）以下時(shí)，UCD90320會(huì)觸發(fā)欠壓事件。在欠壓事件期間，設(shè)備會(huì)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（VSHDN）時(shí)，設(shè)備將完全關(guān)機(jī)。

2.4.19 內(nèi)部故障管理

UCD90320在每次上電時(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，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

三、設(shè)備配置和編程

UCD90320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)，無排序或故障響應(yīng)操作。可使用Fusion 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UCD90320設(shè)備中。

3.1 雙銀行機(jī)制

設(shè)備采用雙銀行機(jī)制存儲(chǔ)用戶配置，新配置成功編程后，舊配置將被擦除。如果編程過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，設(shè)備可在電源循環(huán)或復(fù)位后重新加載先前的配置，提供故障安全狀態(tài)。

3.2 編程方法

UCD90320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)的參數(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）。此方法常用于Fusion GUI配置設(shè)備，但不推薦用于生產(chǎn)編程，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致GPIO引腳出現(xiàn)意外行為，禁用為設(shè)備供電的軌。
• 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，推薦用于生產(chǎn)編程，因?yàn)镚PIO引腳處于受控狀態(tài)。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

4.1 應(yīng)用信息

UCD90320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)UCD90320設(shè)備可管理多達(dá)128個(gè)軌，并記錄同步的故障響應(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。

4.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.2.1 設(shè)計(jì)要求

UCD90320需要在V33D、V33A、BPCAP和（如果適用）VREFA +引腳使用去耦電容。TI推薦了不同引腳的電容設(shè)計(jì)配置，如BPCAP去耦使用三個(gè)1 - μF X7R陶瓷電容與兩個(gè)0.1 - μF X7R陶瓷電容并聯(lián)等。同時(shí)，要確保RESET引腳的正確連接，避免信號(hào)干擾。

4.2.2 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)鐘和故障引腳等）。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。

4.2.3 應(yīng)用曲線

文檔中展示了PMBus控制引腳斷言和去斷言時(shí)，不同軌的開啟和關(guān)閉延遲波形，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

五、電源供應(yīng)與布局建議

5.1 電源供應(yīng)建議

UCD90320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??；如果使用外部參考，3.3 - V電源只需滿足推薦操作條件和電氣特性中的最低要求。

5.2 布局建議

• 去耦電容：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：MARGIN引腳輸出快速邊沿的PWM信號(hào)，應(yīng)遠(yuǎn)離敏感的模擬信號(hào)布線。建議將電阻R4和電容C1盡可能靠近MARGIN引腳放置，以減少快速邊沿PWM信號(hào)在PCB上的傳播距離。如果無法靠近放置，可在MARGIN引腳附近串聯(lián)一個(gè)20 Ω至33 Ω的終端電阻。
• 接地平面：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引腳連接到一個(gè)公共的內(nèi)層銅區(qū)域，AVSS和VREFA -引腳也可連接到一個(gè)公共的內(nèi)層銅區(qū)域。

六、總結(jié)

UCD90320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，為復(fù)雜電子系統(tǒng)的電源管理提供了全面的解決方案。其豐富的特性和靈活的配置選項(xiàng)，使其能夠滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。通過合理的設(shè)計(jì)和配置，工程師可以充分發(fā)揮UCD90320的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要注意電源供應(yīng)、布局等方面的要求，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。大家在使用UCD90320的過程中，有沒有遇到過一些特別的問題或者有獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。