UCD91160：十六軌電源管理的卓越之選

開篇

在電子系統設計中，電源管理是至關重要的一環。對于那些需要精確控制和監測多個電壓軌的應用，一款性能出色的電源管理芯片能帶來極大的便利和可靠性。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的 UCD91160 16 軌 PMBus? 電源定序器和系統管理器。

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產品特性：功能強大，靈活配置

多軌管理能力

UCD91160 具備強大的多軌管理能力，能夠對多達 16 個模擬軌進行定序和監控。這對于那些需要多個不同電壓供電的復雜電子系統來說，無疑提供了極大的便利。而且，它還支持對多達 8 個軌進行 PWM 裕量調節，通過這種方式可以對電壓軌進行測試和精確調整，確保系統在各種工況下都能穩定運行。此外，通過級聯功能，最多可以連接 4 個 UCD91160 設備，從而實現對多達 64 個軌的管理，進一步拓展了其應用范圍。

主動調節與故障監測

主動調節功能允許用戶對輸出電壓進行微調，以滿足特定的應用需求。同時，該芯片能夠實時監測過壓（OV）、欠壓（UV）、超時和 GPI 觸發的故障，并做出相應的響應。這種全面的故障監測和處理能力，大大提高了系統的可靠性和穩定性。

靈活的配置選項

在定序方面，UCD91160 提供了靈活的依賴關系、延遲時間、布爾邏輯和 GPIO 配置。它支持基于軌狀態的定序、延遲時間設置以及 LGPO 引腳配置，適用于復雜的定序應用。此外，它還提供了四個軌配置文件，用于自適應電壓識別（AVID）電壓調節器，能夠根據系統的實際需求動態調整電壓。

故障記錄與監控

非易失性故障事件日志功能結合 RTC 和時間戳，能夠記錄系統的故障信息。其中，單事件故障日志可記錄 100 條條目，而黑匣子故障日志則會保存所有軌的故障信息和狀態，分別記錄首次故障和掉電事件前的最后一次故障。在配置活動期間，芯片還能繼續監測軌，以最大程度地提高系統的正常運行時間。

其他特性

可編程看門狗定時器和系統復位功能為系統提供了額外的保護機制。GPI 控制的軌組功能允許用戶根據需要靈活控制軌的狀態。同時，該芯片還具備 SEU 緩解和 ECC（單錯誤糾正 + 雙錯誤檢測）功能，提高了系統的抗干擾能力。此外，它符合 PMBus? 1.2 標準，并支持 PMBus 安全配置文件 Level 0，通過自定義命令還能啟用 Level 2 的功能。

應用領域：廣泛適用，滿足多樣需求

UCD91160 的應用領域非常廣泛，涵蓋了有線網絡、無線基礎設施、數據通信模塊、數據中心和企業計算、工廠自動化和控制、測試和測量以及醫療等多個領域。在這些領域中，對電源的精確管理和監控是確保系統穩定運行的關鍵，而 UCD91160 正好能夠滿足這些需求。

產品描述：引腳功能與工作原理

引腳配置

UCD91160 采用 64 引腳 QFP 封裝，擁有豐富的引腳功能。專用的 MONx 引腳可在模擬或數字模式下監測多達 16 個電壓軌，16 個軌使能（ENx）引腳用于對調節器進行定序，8 個裕量調節（MARx）引腳可用于將調節器推至高低限（裕量）進行測試，或主動調節輸出以提高精度。16 個邏輯通用輸出（LGPOx）引腳的輸出狀態可由 GPI 狀態、軌狀態和其他 LGPO 控制。

故障記錄與級聯功能

非易失性事件日志可在掉電后保留故障事件，黑匣子故障日志則能保存故障信息和所有軌的狀態，記錄掉電前的首次和最后一次故障事件。級聯功能為管理多達 64 個電壓軌提供了便利，用戶定義的故障引腳可協調級聯設備進行同步故障響應。

軟件配置

Sequencer Studio? 軟件是一款基于 PC 的直觀圖形用戶界面（GUI），可用于配置、存儲和監控所有系統運行參數，無需用戶具備專業的編碼技能，大大簡化了設備的配置過程。

規格參數：確保性能穩定

絕對最大額定值

在絕對最大額定值方面，UCD91160 對 VDD 電源電壓、輸入電壓、電流等參數都有明確的限制。例如，VDD 引腳的電源電壓范圍為 -0.3V 至 4.1V，輸入電壓在不同類型引腳的范圍也有所不同。在電流方面，不同溫度條件下，VDD 引腳的源電流和 VSS 引腳的沉電流也有相應的限制。此外，結溫范圍為 -40°C 至 130°C，存儲溫度范圍為 -40°C 至 150°C。需要注意的是，超出絕對最大額定值可能會導致設備永久性損壞，因此在使用過程中必須嚴格遵守這些參數限制。

ESD 評級

該芯片的靜電放電（ESD）評級方面，人體模型（HBM）為 ±2000V，帶電設備模型（CDM）為 ±500V。這表明它在一定程度上具備抗靜電干擾的能力，但在實際操作中，仍需采取適當的防靜電措施，以確保設備的安全。

推薦工作條件

推薦工作條件下，VDD 電源電壓為 2.9V 至 3.6V，連接在 VDD 和 VSS 之間的電容 CVDD 為 10uF，連接在 BPCAP 和 VSS 之間的電容 CBPCAP 為 470nF。環境溫度方面，S 版本為 -40°C 至 125°C，T 版本的最大結溫為 125°C。在實際應用中，應盡量滿足這些推薦工作條件，以保證設備的性能和可靠性。

熱信息

熱信息方面，不同的熱指標如結到環境的熱阻（RθJA）、結到外殼（頂部）的熱阻（RθJC(top)）等都有明確的數值。這些熱指標對于散熱設計非常重要，在設計過程中需要根據實際情況進行合理的散熱規劃，以確保設備在正常工作溫度范圍內運行。

電氣特性

電氣特性包括模擬輸入電壓范圍、ADC 采樣時間、采樣頻率、工作電源電流等多個參數。例如，模擬輸入電壓范圍適用于所有 ADC 模擬輸入引腳，ADC 采樣時間為 250ns，采樣頻率為 10ksps 等。這些參數對于理解設備的電氣性能和進行電路設計至關重要。

線性參數

線性參數方面，包括積分線性誤差（INL）、差分線性誤差（DNL）、偏移誤差（EO）和增益誤差（EG）等。通過這些參數可以評估設備的線性度和精度，在實際應用中，需要根據具體需求對這些參數進行合理的調整和優化。

POR 和 BOR

POR（上電復位）和 BOR（欠壓復位）方面，對 VDD 電源電壓的上升和下降斜率、復位電壓水平、遲滯等參數都有詳細的規定。這些參數對于確保設備在電源變化時能夠正確復位和穩定運行非常關鍵。

低頻晶體/時鐘

低頻晶體/時鐘方面，低頻晶體振蕩器（LFXT）的頻率為 32768Hz，占空比為 30% 至 70%，振蕩允許范圍為 419kΩ 等。這些參數對于設備的時鐘系統設計和穩定性至關重要。

閃存特性

閃存特性包括擦除和編程操作時的電源電流、擦除/編程循環耐久性、數據保留時間等。例如，擦除和編程操作時的電源電流增量最大為 10mA，擦除/編程循環耐久性為 10k 周期，不同溫度下的數據保留時間也有所不同。這些特性對于設備的存儲功能和數據可靠性有重要影響。

詳細描述：深入了解工作模式

概述

電子系統如 CPU、DSP、微控制器、FPGA 和 ASIC 等通常需要多個電壓軌，并且需要精確的上電和下電順序才能正常工作。UCD91160 能夠對多達 16 個電壓軌進行定序和監控，通過 PMBus 接口報告系統健康信息。它還能對電源系統故障做出預配置的響應，保護電子系統。在故障發生時，黑匣子故障日志會立即存儲全面的系統狀態報告，后續的故障日志則存儲在非易失性存儲器中。

功能框圖

從功能框圖可以看出，UCD91160 具備多種功能模塊，包括 SWD 或 PMBus 編程接口、I2C / PMBus 通信接口、數字 I/O 和監控接口、定序引擎、可配置狀態機等。這些模塊協同工作，實現了對電壓軌的精確控制和管理。

特性描述

TI 測序儀工作室軟件

TI 測序儀工作室軟件通過 PMBus 接口與設備通信，使設計工程師無需學習底層 PMBus 命令即可配置應用的運行參數。軟件將配置保存到片上非易失性存儲器中，并可在調試過程中觀察系統狀態。配置完成后，設備在啟動時可獨立運行。

PMBus 接口

PMBus 是專門為支持電源管理而設計的串行接口，基于 SMBus 接口，UCD91160 支持 PMBus 標準的 1.3 版本。標準 PMBus 接口命令支持設備的基本功能，獨特的功能則通過 MFR_SPECIFIC 命令進行配置或激活。

PMBus 安全

UCD91160 保持 PMBus 安全級別 0，并支持自定義命令啟用高達 PMBus 安全級別 2 的功能。為符合 PMBus 安全級別 0，設備支持 PASSKEY 命令和 ACCESS_CONTROL 命令。

設備功能模式

黑匣子首次故障記錄

系統故障事件中的首次故障對于診斷根本原因至關重要。當 UCD91160 檢測到初始故障時，會將每個軌的狀態記錄并保存在 NVM 的特殊區域（黑匣子）中。后續故障和監控狀態則記錄在標準故障日志中，BOR 電壓越過時的最后一次故障日志也會保存到黑匣子故障日志中。在收集另一個黑匣子故障日志之前，必須通過 PMBus 命令清除黑匣子故障日志。

PMBus 地址選擇

通過三個數字輸入引腳可以選擇 PMBus 地址，不同的引腳電平組合對應不同的地址。

欠壓事件

當 VDD 引腳電壓低于欠壓閾值電壓（VBOR）時，UCD91160 會觸發欠壓事件。在欠壓事件期間，設備會繼續將欠壓事件之前發生的故障日志寫入 NVM。當 VDD 引腳電壓低于關機閾值電壓（VSHDN）時，設備會完全關機，未寫入 NVM 的故障事件將丟失。為了保存首次故障日志，用戶需要提供足夠的本地電容，以確保 VDD 軌在 500μs（或帶有黑匣子故障日志時為 4.5ms）內保持高于 VSHDN。

應用與實現：設計要點與步驟

應用信息

UCD91160 可用于對多達 16 個電壓軌進行定序和監控，對多達 8 個電壓軌進行裕量調節。通過級聯最多 4 個 UCD91160 設備，用戶可以監控多達 64 個軌，并記錄同步故障響應。典型應用包括自動測試設備、電信和網絡設備、服務器和存儲系統等。用戶可以使用 TI 提供的 Sequencer Studio 軟件進行設備配置，無需具備編碼技能。

典型應用

在典型應用中，UCD91160 可以管理多個電壓軌，通過 ENx 引腳控制調節器的使能，通過 MONx 引腳監測電壓軌的狀態，通過 MARx 引腳進行裕量調節。同時，它還可以與其他設備進行級聯，實現更復雜的電源管理功能。

設計要求

UCD91160 需要在 VDD、BPCAP 和 VREF+ 引腳處使用去耦電容，電容值在電氣特性中有明確規定。如果應用中不使用 nRESET 信號，nRESET 引腳必須連接到 VDD，可以通過直接連接或 R-C 電路實現。模擬監測引腳能夠監測 0V 至 3.3V 的電壓軌，輸入不應超出此范圍。在設備編程期間，VDD 電源必須穩定，避免觸發設備復位，否則可能導致配置損壞。TI 建議在 VDD 和 VSS 引腳之間連接 10μF 和 0.1μF 的低 ESR 陶瓷去耦電容，并將電容盡可能靠近電源引腳放置。BPCAP 引腳需要連接 0.47μF 的儲能電容，并盡可能靠近設備放置，且不要連接其他電路。

詳細設計步驟

使用 Sequencer Studio 軟件可以在線或離線設計設備配置。離線模式下，軟件會提示用戶創建或打開項目文件（.xml）；在線模式下，軟件會通過 PMBus 接口自動檢測設備并提取配置數據。設計步驟包括軌設置、軌監測配置、GPI 配置、軌定序配置、故障響應配置、GPO 配置、裕量調節配置以及其他配置，如引腳選擇的軌狀態、看門狗定時器和系統復位等。完成配置后，點擊“Write to Hardware”應用更改，在線模式下還需點擊“Store RAM to Flash”將新配置永久存儲到設備的數據閃存中。

應用曲線

通過應用曲線可以直觀地了解設備在啟動和關機過程中的波形，例如不同軌的使能信號在不同延遲時間下的變化情況。這些曲線對于調試和優化系統性能非常有幫助。

電源供應建議

UCD91160 由 3.3V 電源供電。如果使用內部參考，VDD 作為 ADC 參考，應確保其電壓精確為 3.3V，因為任何輸入電壓偏差都會引入 ADC 參考誤差和 ADC 結果誤差。因此，3.3V 電源必須嚴格調節，允許的電壓波動非常小。如果使用外部參考（VREF+），3.3V 電源只需滿足電氣特性中規定的最低要求。

布局

布局指南

在布局方面，應將去耦電容盡可能靠近設備放置，將 BPCAP 去耦電容盡可能靠近 BPCAP 引腳放置。由于裕量引腳（MARx）輸出的 PWM 信號具有快速邊沿，應將這些信號遠離敏感的模擬信號進行布線。

布局示例

UCD91160 采用 64 引腳 LQFP 封裝，如果設計要求將設備安裝在頂層，可以將去耦電容放置在底層，以便為頂層的走線留出空間。布局示例中還給出了一些重要的建議，如使用均勻的接地平面連接 VSS 和 VREF- 引腳，將 BPCAP 引腳連接到內部層的公共銅區域等。

設備與文檔支持：保障使用體驗

文檔更新通知

用戶可以通過訪問 ti.com 上的設備產品文件夾，點擊“Notifications”進行注冊，以接收文檔更新的每周摘要。對于更改細節，可以查看修訂文檔中的修訂歷史。

支持資源

TI E2E? 支持論壇是工程師獲取快速、經過驗證的答案和設計幫助的重要來源。用戶可以搜索現有答案或提出自己的問題，以獲得所需的設計幫助。需要注意的是，鏈接內容由各自的貢獻者提供，不構成 TI 規格，也不一定反映 TI 的觀點。

商標信息

PMBus? 是 SMIF, Inc. 的商標，Sequencer Studio? 是 TI 的商標，TI E2E? 是德州儀器的商標，所有商標均為其各自所有者的財產。

靜電放電注意事項

由于該集成電路可能會受到靜電放電（ESD）的損壞，德州儀器建議在處理所有集成電路時采取適當的預防措施。不遵守正確的處理和安裝程序可能會導致設備損壞，ESD 損壞的程度可能從細微的性能下降到設備完全故障不等。特別是精密集成電路，由于非常小的參數變化可能導致設備無法滿足其公布的規格，因此可能更容易受到損壞。

術語表

TI 術語表列出并解釋了相關的術語、首字母縮寫詞和定義，有助于用戶更好地理解文檔內容。

總結

UCD91160 作為一款功能強大的 16 軌 PMBus 電源定序器和系統管理器，在電源管理領域具有顯著的優勢。它的多軌管理能力、靈活的配置選項、全面的故障監測和處理功能以及豐富的軟件支持，使其能夠滿足各種復雜電子系統的電源管理需求。無論是在有線網絡、無線基礎設施還是數據中心等領域，UCD91160 都能發揮重要作用。在實際應用中，工程師們需要根據具體的設計要求和規格參數，合理選擇和使用該芯片，并注意布局、電源供應等方面的設計要點，以確保系統的穩定運行。你在使用類似電源管理芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。