UCD90120A：12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，對(duì)于多電壓軌的電源管理和監(jiān)控至關(guān)重要。德州儀器（TI）的UCD90120A作為一款12軌PMBus/I2C可尋址電源排序器和監(jiān)控器，為解決電源管理難題提供了高效的方案。本文將深入剖析UCD90120A的特性、功能、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為廣大電子工程師提供有價(jià)值的參考。

文件下載：ucd90120a.pdf

一、關(guān)鍵特性速覽

UCD90120A具有一系列令人矚目的特性，使其在電源管理領(lǐng)域脫穎而出。

1. 電源狀態(tài)靈活控制：通過(guò)Pin - Selected Rail States功能，最多可使用3個(gè)通用輸入引腳（GPI）來(lái)啟用和禁用任何軌，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗模式和高級(jí)配置與電源接口（ACPI）規(guī)范非常有用。
2. 多軌監(jiān)控與排序：能夠監(jiān)控和排序12個(gè)電壓軌，所有軌每400μs進(jìn)行一次采樣。配備12位ADC，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為2.5V，精度高達(dá)0.5%。排序可基于時(shí)間、軌和引腳依賴關(guān)系進(jìn)行。
3. 便捷的配置軟件：提供TI Fusion Digital Power? designer軟件，這是一款基于PC的圖形用戶界面（GUI），可直觀地進(jìn)行設(shè)備配置、參數(shù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)監(jiān)控。
4. 故障記錄與閉環(huán)裕度：每個(gè)監(jiān)控器都具備非易失性錯(cuò)誤和峰值記錄功能（最多12條故障詳細(xì)記錄），還支持10個(gè)軌的閉環(huán)裕度調(diào)整，可將軌電壓調(diào)整到用戶定義的裕度閾值。
5. 豐富的接口與功能：擁有靈活的數(shù)字I/O配置、多相PWM時(shí)鐘發(fā)生器（時(shí)鐘頻率從15.259kHz到125MHz）、JTAG和I2C/SMBus/PMBus?接口。

二、詳細(xì)功能剖析

2.1 功能模塊架構(gòu)

UCD90120A的功能模塊包括JTAG或GPIO、通用輸入輸出（GPIO）、I2C/PMBus接口、比較器、排序引擎、12位ADC、多相PWM、閃存和邏輯構(gòu)建器等。各個(gè)模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓軌的精確監(jiān)控和控制。

2.2 特色功能解讀

• TI Fusion GUI：該軟件提供直觀的I2C/PMBus接口，設(shè)計(jì)工程師無(wú)需直接使用PMBus命令，即可輕松配置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、存儲(chǔ)配置到片上非易失性存儲(chǔ)器，并觀察系統(tǒng)狀態(tài)。它可以從www.ti.com下載，為工程師的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)極大便利。
• PMBus接口：支持PMBus標(biāo)準(zhǔn)的1.1版本，使用標(biāo)準(zhǔn)PMBus命令支持設(shè)備功能，同時(shí)為UCD90120A的獨(dú)特功能定義了MFR_SPECIFIC命令。硬件可支持100 - kHz或400 - kHz的PMBus操作，并且固件符合SMBus 1.1規(guī)范，支持SMBus ALERT功能。
• 軌配置：一個(gè)軌包含電壓、電源啟用和裕度輸出，用戶可定義電源軌的操作方式，選擇模擬輸入引腳和GPIO來(lái)監(jiān)控和啟用每個(gè)電源。在Vout Config選項(xiàng)卡中，還可選擇其他關(guān)鍵監(jiān)控和排序標(biāo)準(zhǔn)，如標(biāo)稱(chēng)工作電壓、欠壓和過(guò)壓警告與故障限制、裕度值、電源良好開(kāi)啟和關(guān)閉限制等。
• 電源排序：能夠控制多達(dá)12個(gè)電壓軌的開(kāi)啟和關(guān)閉順序。在基于PMBus的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)PMBus主設(shè)備可通過(guò)斷言PMBUS_CNTRL引腳或發(fā)送OPERATION命令來(lái)啟動(dòng)排序；在基于引腳的設(shè)計(jì)中，PMBUS_CNTRL引腳也可用于排序操作。開(kāi)啟排序有多種選項(xiàng)，如固定延遲時(shí)間、在父軌達(dá)到調(diào)節(jié)狀態(tài)后延遲啟動(dòng)等；關(guān)閉排序同樣支持多種選項(xiàng)。
• 監(jiān)控功能
  • 電壓監(jiān)控：通過(guò)13個(gè)監(jiān)控輸入引腳（MONx）連接到12位ADC，可監(jiān)控多達(dá)12個(gè)電壓。MON1 - 9的輸入電壓范圍為0V - 2.5V，MON10 - 13可測(cè)量低至0.2V的電壓。ADC連續(xù)工作，每個(gè)軌每400μs采樣一次。MON1 - MON6可配置數(shù)字硬件比較器，以實(shí)現(xiàn)更快的故障響應(yīng)。
  • 電流監(jiān)控：使用模擬輸入監(jiān)控電流，需外部電路將電流轉(zhuǎn)換為電壓。測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均數(shù)字濾波器平滑處理，減少誤報(bào)故障的概率。支持多個(gè)與電流相關(guān)的PMBus命令，方便用戶進(jìn)行精確配置。
  • 溫度監(jiān)控：支持內(nèi)部和遠(yuǎn)程溫度傳感。內(nèi)部溫度傳感器無(wú)需校準(zhǔn)，可通過(guò)PMBus接口報(bào)告設(shè)備溫度；遠(yuǎn)程溫度傳感器可通過(guò)配置增益和偏移來(lái)適應(yīng)不同類(lèi)型的傳感器。測(cè)量結(jié)果同樣經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均數(shù)字濾波器處理，每個(gè)軌的溫度每1s或100ms測(cè)量一次。
• 故障響應(yīng)和警報(bào)處理：監(jiān)控軌是否在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，有兩個(gè)可編程警告級(jí)別和兩個(gè)可編程故障級(jí)別。當(dāng)監(jiān)測(cè)到電壓超出警告或故障窗口時(shí)，立即斷言PMBALERT#引腳，并在PMBus狀態(tài)寄存器中設(shè)置相應(yīng)位。故障響應(yīng)有多種可選方案，如繼續(xù)無(wú)中斷運(yùn)行、立即關(guān)閉、按延遲時(shí)間關(guān)閉、重啟或重新排序等。
• GPIO功能：具有22個(gè)GPIO引腳，可配置為輸入或輸出，輸出模式包括開(kāi)漏或推挽輸出，可主動(dòng)驅(qū)動(dòng)至3.3V或地。GPIO可用于排序和報(bào)警處理的依賴項(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)位或多設(shè)備級(jí)聯(lián)。
• PWM輸出：Pins 17 - 24可配置為快速脈沖寬度調(diào)制器（FPWM），頻率范圍為15.260kHz - 125MHz；Pins 31、32、41和42可作為GPIs或PWM輸出。FPWM還可進(jìn)行相位對(duì)齊配置，為基于PWM的應(yīng)用提供靈活性。
• 裕度調(diào)整：用于產(chǎn)品驗(yàn)證測(cè)試，可通過(guò)PMBus的OPERATION命令或配置兩個(gè)GPIO引腳進(jìn)行控制。支持開(kāi)環(huán)和閉環(huán)裕度調(diào)整模式，開(kāi)環(huán)通過(guò)連接電源反饋節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)則使用PWM或FPWM輸出和外部RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。
• 系統(tǒng)復(fù)位和看門(mén)狗定時(shí)器：可生成可編程的系統(tǒng)復(fù)位脈沖，與電源排序和看門(mén)狗定時(shí)相關(guān)。看門(mén)狗定時(shí)器可通過(guò)GPIO或I2C進(jìn)行配置和復(fù)位，超時(shí)后可采取相應(yīng)措施，如斷言GPIO引腳或生成系統(tǒng)復(fù)位脈沖。
• 運(yùn)行時(shí)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)記錄：運(yùn)行時(shí)時(shí)鐘以毫秒和天為單位，保存在非易失性存儲(chǔ)器中，可用于對(duì)記錄的故障進(jìn)行時(shí)間戳標(biāo)記。設(shè)備可將故障、設(shè)備復(fù)位次數(shù)和峰值電壓測(cè)量值記錄到閃存中，方便后續(xù)調(diào)試和分析。

三、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

UCD90120A適用于各種需要多電源軌排序和監(jiān)控的系統(tǒng)，如工業(yè)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)等。

3.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，需要注意以下設(shè)計(jì)要求：

• TRST引腳必須連接一個(gè)10 - kΩ下拉電阻到地。
• RESET引腳必須連接一個(gè)10 - kΩ上拉電阻到V33D和一個(gè)1 - nF去耦電容到地，且這些組件應(yīng)盡可能靠近RESET引腳放置。
• 為避免PMBus信號(hào)完整性問(wèn)題導(dǎo)致的錯(cuò)誤命令接收，建議在PMBus主機(jī)中啟用數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤檢查（PEC）。
• 由于故障日志的校驗(yàn)和保護(hù)機(jī)制，當(dāng)V33D電源在寫(xiě)入故障日志之前掉電時(shí)，故障日志可能會(huì)被擦除，建議使用掉電保護(hù)功能和電路。
• 不建議使用RESET引腳對(duì)電源軌進(jìn)行電源循環(huán)操作，可使用PMBus_CNTRL引腳或Pin - Selected Rail States功能。
• 當(dāng)一對(duì)FPWM引腳同時(shí)配置為電源啟用和PWM功能時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生干擾，不建議這樣配置。
• 生產(chǎn)編程時(shí)，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，避免使用PMBus命令方法，以確保GPIO引腳處于受控狀態(tài)。
• 編程過(guò)程中，V33D電源必須穩(wěn)定，避免設(shè)備復(fù)位，否則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)閃存損壞。

  3.3 設(shè)計(jì)步驟

  使用Fusion GUI進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般步驟如下：

  1. 軌設(shè)置：確定需要監(jiān)控和控制的電壓軌。
  2. 軌監(jiān)控配置：配置電壓、電流和溫度監(jiān)控。
  3. GPI配置：設(shè)置通用輸入引腳的參數(shù)。
  4. 軌序列配置：制定電源軌的開(kāi)啟和關(guān)閉順序。
  5. 故障響應(yīng)配置：定義不同故障情況下的響應(yīng)策略。
  6. GPO配置：設(shè)置通用輸出引腳的功能。
  7. 裕度配置：進(jìn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)裕度調(diào)整的設(shè)置。
  8. 其他配置：如Pin Selected Rail States、看門(mén)狗定時(shí)器、系統(tǒng)復(fù)位等功能的配置。

四、編程與調(diào)試

4.1 編程方法

UCD90120A有多種編程選項(xiàng)：

• 電路內(nèi)編程：主機(jī)微控制器可使用I2C總線通過(guò)PMBus命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置，配置數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM后，可通過(guò)特殊命令將其轉(zhuǎn)移到非易失性存儲(chǔ)器。
• 生成腳本文件：Fusion GUI可創(chuàng)建PMBus或I2C命令腳本文件，用于I2C主設(shè)備配置，但此方法可能導(dǎo)致GPIO引腳出現(xiàn)意外行為，不適合生產(chǎn)編程。
• 生成數(shù)據(jù)閃存映像：Fusion GUI可根據(jù)配置文件創(chuàng)建數(shù)據(jù)閃存映像，如Intel Hex、Data Flash Script、Serial Vector Format（SVF）和S - record等，可通過(guò)I2C或JTAG下載到設(shè)備中。建議使用Intel Hex文件或數(shù)據(jù)閃存腳本文件進(jìn)行生產(chǎn)編程。

  4.2 JTAG接口

  JTAG端口可用于生產(chǎn)編程，四個(gè)JTAG引腳在正常運(yùn)行時(shí)也可作為GPIOs使用。JTAG接口默認(rèn)禁用，在數(shù)據(jù)閃存為空或檢測(cè)到地址126（0x7E）時(shí)啟用。Fusion GUI可創(chuàng)建SVF文件用于JTAG編程，但使用JTAG編程時(shí)需確認(rèn)工具的可靠性。

  4.3 內(nèi)部故障管理和錯(cuò)誤校正

  UCD90120A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，若不匹配則采取相應(yīng)措施。內(nèi)部有固件看門(mén)狗定時(shí)器，超時(shí)后設(shè)備復(fù)位。同時(shí)使用糾錯(cuò)碼（ECC）提高數(shù)據(jù)閃存內(nèi)容的可靠性，可檢測(cè)和糾正單比特錯(cuò)誤。

五、電源和布局建議

5.1 電源要求

UCD90120A必須由3.3V電源供電，上電時(shí)V33D必須以最小0.25V/ms的壓擺率從2.3V單調(diào)上升到2.9V。

5.2 布局指南

• 熱焊盤(pán)應(yīng)連接到PCB的接地層，并提供至少4×4的PCB過(guò)孔圖案，將熱焊盤(pán)和VSS引腳連接到其他PCB層的電路地。
• 為電源引腳提供去耦電容，如在BPCAP、V33DIO2、V33D、V33DIO1和V33A引腳處連接相應(yīng)電容。
• V33D、V33DIO1和V33DIO2直接連接到3.3V電源，V33A通過(guò)4.99 - Ω電阻連接到V33D，以形成低通濾波器減少噪聲。
• 對(duì)于用作數(shù)字輸出的GPIO信號(hào)，可進(jìn)行阻抗控制，將高速信號(hào)遠(yuǎn)離敏感模擬信號(hào)，并在信號(hào)源處提供20Ω - 33Ω的串聯(lián)阻抗。

六、總結(jié)

UCD90120A憑借其豐富的功能、靈活的配置選項(xiàng)和可靠的性能，為多電源軌的管理和監(jiān)控提供了全面而強(qiáng)大的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需深入理解其特性和功能，遵循設(shè)計(jì)要求和布局建議，合理選擇編程方法，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)充分發(fā)揮UCD90120A的優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升電子系統(tǒng)的性能和質(zhì)量，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用的需求。你在實(shí)際使用UCD90120A的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。