德州儀器UCD9090A：10軌電源排序與監(jiān)控的理想之選

在電子系統(tǒng)設(shè)計中，對于多電壓軌的電源管理和監(jiān)控是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。德州儀器（TI）的UCD9090A 10軌電源排序器和監(jiān)控器，為解決這一問題提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。本文將深入探討UCD9090A的特性、應(yīng)用、詳細(xì)功能以及設(shè)計要點(diǎn)。

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一、UCD9090A的特性亮點(diǎn)

1. 多軌監(jiān)控與排序

UCD9090A能夠?qū)?0個電壓軌進(jìn)行監(jiān)控和排序，所有軌每400μs采樣一次。配備12位ADC和2.5V、0.5%的內(nèi)部VREF，可實(shí)現(xiàn)高精度的電壓測量。排序功能基于時間、軌和引腳依賴關(guān)系，每個監(jiān)控器有四個可編程的欠壓和過壓閾值。

2. 非易失性日志記錄

每個監(jiān)控器都具備非易失性錯誤和峰值值記錄功能，最多可記錄26條故障詳細(xì)條目，方便故障分析和系統(tǒng)調(diào)試。

3. 閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)

支持10個軌的閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)，通過裕量輸出調(diào)整軌電壓，以匹配用戶定義的裕量閾值，確保系統(tǒng)在不同工作條件下的穩(wěn)定性。

4. 靈活的控制與接口

具有可編程的看門狗定時器和系統(tǒng)復(fù)位功能，以及靈活的數(shù)字I/O配置。可響應(yīng)和監(jiān)控GPI觸發(fā)的故障，還能輕松級聯(lián)多個電源排序器，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的故障響應(yīng)。此外，支持JTAG和I2C/SMBus/PMBus?接口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信和控制。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

UCD9090A適用于多種應(yīng)用場景，包括工業(yè)和ATE、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲系統(tǒng)等，以及任何需要對多個電源軌進(jìn)行排序和監(jiān)控的系統(tǒng)。

三、詳細(xì)功能解析

1. 功能框圖與接口

UCD9090A的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括JTAG或GPIO接口、通用I/O、I2C/PMBus接口、比較器、排序引擎、12位ADC、多相PWM、FLASH內(nèi)存和裕量輸出等模塊。通過這些模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對電源軌的全面管理和監(jiān)控。

2. 電源排序功能

開啟排序

支持多種開啟排序選項(xiàng)，如僅監(jiān)控、OPERATION命令后的固定延遲時間、PMBus_CNTRL引腳斷言后的固定延遲時間、父軌達(dá)到穩(wěn)定后的固定時間、指定GPI或GPO達(dá)到用戶指定狀態(tài)后的固定時間等。最大TON_DELAY時間為3276ms。

關(guān)閉排序

關(guān)閉排序選項(xiàng)同樣豐富，包括僅監(jiān)控、OPERATION命令關(guān)閉后的固定延遲時間、PMBus_CNTRL引腳去斷言后的固定延遲時間、父軌低于穩(wěn)定狀態(tài)后的固定時間、軌出現(xiàn)欠壓、過壓或最大開啟故障時的固定延遲時間、作為故障關(guān)機(jī)從軌時對其他軌故障的響應(yīng)延遲時間、指定GPI或GPO達(dá)到用戶指定狀態(tài)后的固定時間等。最大TOFF_DELAY時間為3276ms。

排序配置選項(xiàng)

除了開啟和關(guān)閉排序選項(xiàng)外，還可以配置最大開啟時間（TON_MAX_FAULT_LIMIT），即軌啟用后到監(jiān)控的軌電壓必須達(dá)到其電源良好設(shè)置的時間。軌可以配置為立即關(guān)閉或根據(jù)軌和GPI依賴關(guān)系以及用戶定義的延遲時間進(jìn)行順序關(guān)閉。

3. 引腳選擇的軌狀態(tài)

該功能允許使用最多3個GPI來啟用和禁用任何軌，對于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗模式和高級配置與電源接口（ACPI）規(guī)范非常有用。在最多8種系統(tǒng)狀態(tài)下，電源系統(tǒng)設(shè)計人員可以定義哪些軌開啟，哪些軌關(guān)閉。

4. 監(jiān)控功能

電壓監(jiān)控

UCD9090A有11個監(jiān)控輸入引腳（MONx），除MON11（引腳37）的輸入電壓范圍為0.2V - 2.5V外，其他MONx輸入的范圍為0V - 2.5V。ADC連續(xù)工作，每個軌每400μs采樣一次，最大采樣電壓的源阻抗應(yīng)小于4kΩ。MON1 - MON6可配置數(shù)字硬件比較器，實(shí)現(xiàn)更快的故障響應(yīng)。

電流監(jiān)控

通過模擬輸入可以監(jiān)控電流，需要外部電路將電流轉(zhuǎn)換為UCD9090A MONx輸入范圍內(nèi)的電壓。電流測量使用滑動平均數(shù)字濾波器進(jìn)行平滑處理，可減少誤報故障的概率。支持多個與電流相關(guān)的PMBus命令，如READ_IOUT、IOUT_OC_FAULT_LIMIT等。

溫度監(jiān)控

支持內(nèi)部和遠(yuǎn)程溫度傳感。內(nèi)部溫度傳感器無需校準(zhǔn)，可通過PMBus接口報告設(shè)備溫度。遠(yuǎn)程溫度傳感器可使用可配置的增益和偏移來報告溫度，測量同樣使用滑動平均數(shù)字濾波器進(jìn)行平滑處理。支持多個與溫度相關(guān)的PMBus命令，如READ_TEMPERATURE_1、OT_FAULT_LIMIT等。

主機(jī)輸入溫度

如果主機(jī)系統(tǒng)不使用UCD9090A的溫度傳感功能，也可以通過PMBus向UCD9090A提供所需的溫度。主機(jī)提供的溫度將用于檢測過溫警告或故障、記錄峰值溫度、作為布爾邏輯構(gòu)建器功能的輸入以及風(fēng)扇控制算法的反饋。

5. 故障響應(yīng)與警報處理

UCD9090A監(jiān)控軌是否在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，有兩個可編程的警告級別（欠壓和過壓）和兩個可編程的故障級別（欠壓和過壓）。當(dāng)任何監(jiān)控電壓超出警告或故障窗口時，PMBALERT#引腳立即斷言，并在PMBus狀態(tài)寄存器中設(shè)置相應(yīng)的位。每個MON輸入可以啟用或禁用可編程的毛刺濾波器，故障響應(yīng)決策基于12位ADC的結(jié)果。

6. GPIO功能

UCD9090A有21個GPIO引腳，可作為輸入或輸出。每個GPIO具有可配置的輸出模式選項(xiàng)，如開漏或推挽輸出。GPIO可以在排序和警報處理中作為依賴項(xiàng)，也可用于系統(tǒng)級功能，如外部中斷、電源良好信號、復(fù)位或多個設(shè)備的級聯(lián)。

7. 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15.260kHz - 125MHz。可作為閉環(huán)裕量輸出、風(fēng)扇控制器或通用PWM。FPWM頻率設(shè)置適用于引腳對，如FPWM1和FPWM2具有相同的頻率。

PWM1 - 2

引腳22和23可作為GPI或PWM輸出，輸出頻率為0.93Hz - 7.8125MHz。頻率通過對15.625MHz時鐘進(jìn)行分頻得到。

8. 其他功能

還包括可編程多相PWM、裕量調(diào)節(jié)（開環(huán)和閉環(huán)）、運(yùn)行時鐘、系統(tǒng)復(fù)位信號、看門狗定時器、數(shù)據(jù)和錯誤日志記錄到閃存、欠壓功能、PMBus地址選擇、設(shè)備復(fù)位、JTAG接口和內(nèi)部故障管理與內(nèi)存錯誤校正（ECC）等功能。

四、編程與配置

1. 編程選項(xiàng)

從工廠出廠時，設(shè)備包含排序和監(jiān)控固件，所有GPO為高阻抗（除FPWM/GPIO引腳10 - 17驅(qū)動為低電平），無排序或故障響應(yīng)操作。用戶可以使用Fusion GUI設(shè)計配置文件，有三種主要的設(shè)備配置編程選項(xiàng)：

通過I2C使用PMBus命令

主機(jī)微控制器可以通過I2C使用PMBus命令對設(shè)備進(jìn)行在線編程。所有所需的配置數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備后，通過特殊命令STORE_DEFAULT_ALL將其傳輸?shù)椒且资詢?nèi)存（數(shù)據(jù)閃存）。但此方法可能導(dǎo)致GPIO引腳出現(xiàn)意外行為，不推薦用于生產(chǎn)編程。

Fusion GUI生成命令腳本文件

Fusion GUI可以創(chuàng)建PMBus或I2C命令腳本文件，供I2C主設(shè)備配置設(shè)備。同樣，此方法可能導(dǎo)致GPIO引腳出現(xiàn)意外行為，不推薦用于生產(chǎn)編程。

Fusion GUI生成數(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，可導(dǎo)出為Intel Hex、數(shù)據(jù)閃存腳本、串行向量格式（SVF）和S-record等格式。使用數(shù)據(jù)閃存十六進(jìn)制文件或數(shù)據(jù)閃存腳本文件進(jìn)行生產(chǎn)編程，因?yàn)镚PIO引腳處于受控狀態(tài)。

2. 正常模式下的全配置更新

在正常模式下更新全配置時，需要禁用數(shù)據(jù)閃存寫保護(hù)，擦除數(shù)據(jù)閃存，寫入數(shù)據(jù)閃存映像并復(fù)位設(shè)備。建議使用Fusion Digital Power Designer軟件生成的數(shù)據(jù)閃存腳本文件，這是生產(chǎn)編程的推薦方法。

五、應(yīng)用與設(shè)計要點(diǎn)

1. 典型應(yīng)用

UCD9090A的典型應(yīng)用包括自動測試設(shè)備、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲系統(tǒng)等。在設(shè)計應(yīng)用電路時，需要注意一些關(guān)鍵要求，如TRST引腳需連接10kΩ下拉電阻到地，RESET引腳需連接10kΩ上拉電阻到V33D和1nF去耦電容到地等。

2. 詳細(xì)設(shè)計步驟

使用Fusion GUI進(jìn)行設(shè)備配置設(shè)計，可在線或離線進(jìn)行。一般設(shè)計步驟包括軌設(shè)置、軌監(jiān)控配置、GPI配置、軌序列配置、故障響應(yīng)配置、GPO配置、裕量調(diào)節(jié)配置以及其他配置（如引腳選擇的軌狀態(tài)、看門狗定時器、系統(tǒng)復(fù)位等）。

3. 估算ADC報告精度

UCD9090A使用12位ADC和2.5V內(nèi)部參考（VREF）將MON引腳輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字報告電壓。可以通過公式計算報告誤差，在較低監(jiān)控電壓下，總未調(diào)整誤差（VTUE）主導(dǎo)報告誤差，而在較高監(jiān)控電壓下，VREF的容差主導(dǎo)報告誤差。

六、布局與電源建議

1. 布局指南

UCD9090A的熱焊盤應(yīng)連接到PCB的VSS引腳，并提供至少4×4的PCB過孔圖案，將熱焊盤和VSS引腳連接到其他PCB層的電路接地。對于電源電壓去耦，需要在相應(yīng)引腳提供適當(dāng)?shù)奶沾?a href="http://www.3532n.com/tags/電容/" target="_blank">電容。同時，對于用作數(shù)字輸出的GPIO信號，可能需要進(jìn)行阻抗控制，以減少快速信號邊緣的噪聲。

2. 電源建議

使用3.3V電源為UCD9090A供電，在電源啟動序列中，V33D引腳的電壓必須以最小0.25V/ms的斜率從2.3V單調(diào)上升到2.9V。

七、總結(jié)

UCD9090A是一款功能強(qiáng)大、靈活性高的10軌電源排序器和監(jiān)控器，適用于多種復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計。通過其豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)，電子工程師可以實(shí)現(xiàn)對多電壓軌的精確管理和監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在設(shè)計過程中，需要注意編程、布局、電源等方面的要點(diǎn)，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。你在使用UCD9090A的過程中遇到過哪些問題呢？或者對其功能有什么獨(dú)特的應(yīng)用想法嗎？歡迎在評論區(qū)分享交流。