ADM1169：多電源系統的監控與排序解決方案

在電子工程師的日常工作中，多電源系統的監控與排序是一個關鍵且復雜的問題。今天要為大家介紹的Analog Devices的ADM1169 Super Sequencer?，就是一款能夠為多電源系統提供全面且靈活解決方案的芯片。

文件下載：ADM1169.pdf

芯片概述

ADM1169是一款可配置的監控/排序設備，能夠為多達8個電源提供監控和排序功能。它集成了12位ADC和四個8位電壓輸出DAC，可實現閉環裕量調節系統，通過改變DC - DC轉換器的反饋節點或參考電壓來調整電源。同時，它還具備非易失性黑匣子故障記錄功能，能記錄多達16個事件的故障信息，為系統故障排查提供有力支持。

主要特性

1. 全面的電源監控與排序：可監控多達8個電源，精度在25°C時可達<0.5%，在全電壓和溫度范圍內可達<1.0%。4個可選輸入衰減器允許對高達14.4 V（VH）和6 V（VP1 - VP3）的電源進行監控。
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還支持內部電荷泵高驅動，可直接驅動外部NFET。
3. 閉環裕量調節：4個8位DAC（0.300 V - 1.551 V）用于電壓調節，12位ADC用于所有監控電壓的回讀，可實現精確的電源裕量調節。
4. 強大的排序引擎：基于狀態機控制，提供多達63種不同狀態，可實現復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，可記錄系統故障時的詳細信息。
6. 標準接口：采用行業標準的2線總線接口（SMBus），方便與其他設備通信和配置。

電源供電

ADM1169由VPx或VH中最高的電壓輸入供電，這種方式提高了設備的冗余性，因為設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，保持設備正常工作。

當使用12 V背板電源為ADM1169供電時，如果涉及熱插拔操作，建議采取適當的保護措施，如使用熱插拔控制器或RC濾波網絡，以防止瞬態電壓對設備造成損壞。另外，當多個電源電壓相差在100 mV以內時，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位代碼的十進制值，(V_B) 是范圍的下限。通過這個公式，我們可以根據需要設置不同的閾值。

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，可對比較器輸出進行時域濾波，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100 μs。

VXx輸入的特殊功能

當VXx輸入作為數字輸入時，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VP1的3.3 V電源下降到3.0 V時輸出故障，VX1可以設置為在3.1 V時輸出警告，警告輸出可從狀態寄存器中讀取，并可觸發中斷。

輸出功能

電源排序

ADM1169通過可編程驅動輸出（PDOs）實現電源排序，這些輸出可以作為邏輯使能或FET驅動器。排序引擎（SE）根據設備輸入的狀態控制PDOs的斷言順序，從而控制電源的開啟和關閉。

PDO輸出配置

PDOs可以編程為多種上拉選項，如開漏、帶弱上拉到VDD或VPx、帶強上拉到VDD或VPx、強下拉到地以及內部電荷泵高驅動（僅PDO1 - PDO6）。數據驅動PDOs的來源有三個：排序引擎輸出、直接來自SMBus和片上時鐘。

默認輸出配置

未編程的ADM1169設備的所有內部寄存器初始值為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的狀態會根據輸入電源電壓的變化而變化，提供了一個已知的上電狀態。

排序引擎

概述

排序引擎（SE）是ADM1169的邏輯核心，它基于狀態機控制PDO輸出，狀態變化取決于輸入事件。SE程序可以實現復雜的板級控制，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。

狀態機結構

SE狀態機由63個狀態單元組成，每個狀態具有以下屬性：

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

應用示例

以一個三電源系統的上電序列為例，當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3.3 V電源成功開啟）。當三個電源都正確開啟后，進入PWRGD狀態，直到某個電源出現故障或接收到下電指令。在這個過程中，序列檢測器、監控故障檢測器和超時檢測器會協同工作，確保電源的正常開啟和故障處理。

故障與狀態報告

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的位，當該輸入發生故障時，相應的位會被置位。通過SMBus可以讀取故障寄存器的內容，以確定哪個輸入發生了故障。故障寄存器可以在每個狀態下啟用或禁用，以確保只捕獲真正的故障。

此外，ADM1169還有多個狀態寄存器，提供更詳細的信息，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，可隨時響應輸入變化；另一組在序列引擎狀態改變時更新，并鎖存直到下一次狀態改變。

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）默認可用于存儲用戶定義的設置和信息，其中地址從0xF980到0xF9FF可用于存儲多達16個故障記錄。任何排序引擎狀態都可以指定為黑匣子寫入狀態，當排序引擎進入該狀態時，會將故障記錄寫入EEPROM。

記錄內容

每個故障記錄包含以下信息：

• 寫入故障記錄后設置為0的標志位。
• 故障記錄寫入狀態之前的前一個狀態的狀態號。
• 導致前一個狀態退出的是序列、超時還是監控條件。
• UVSTATx和OVSTATx輸入比較器狀態。
• VXx GPISTAT狀態。
• LIMSTATx狀態。
• 校驗和字節。

注意事項

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進行電壓回讀。ADC前端有一個8通道模擬多路復用器，可選擇讀取VH、VPx和VXx等8個SFD輸入。ADC可以對單端輸入進行采樣，輸入電壓與輸出代碼呈線性關系。電壓計算公式為 (V = (ADCCode / 4095) × 衰減因子 × V{REFIN})，其中 (V{REFIN}) 為2.048 V（當使用內部參考時）。

此外，ADC還提供了另一種電源監控功能，用戶可以通過設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，可從狀態寄存器讀取或輸入到SE中進行相應的排序操作。但需要注意的是，由于ADC轉換時間的限制，這種監控方式不如SFDs實時性強。

電源裕量調節

概述

在系統設計中，調節電源以優化其電平或使其偏離標稱值來表征系統性能是很常見的需求。ADM1169提供了開環和閉環兩種電源裕量調節方法。

開環裕量調節

開環裕量調節是一種簡單的方法，通過將額外的電阻切換到電源模塊（如DC - DC轉換器或低壓差穩壓器）的反饋節點，改變反饋或調節節點的電壓，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）可以驅動到要調節的電源模塊的反饋引腳，通過調節DAC輸出電壓來控制電源輸出。

閉環裕量調節

閉環裕量調節是一種更精確和全面的方法。ADM1169通過12位逐次逼近ADC讀取要調節的電源電壓，并結合六個電壓輸出DAC來調整電源電平。通過不斷比較和調整，可將任何DC - DC轉換器或LDO電源設置為目標電壓，精度可達±0.5%。實現閉環裕量調節的步驟包括禁用DAC輸出、設置DAC輸出電壓等于反饋節點電壓、啟用DAC、讀取電源輸出電壓、根據需要調整DAC輸出代碼，直到達到目標電壓。

DAC設置

ADM1169提供四個DAC范圍，可將中碼（代碼0x7F）設置在0.6 V、0.8 V、1.0 V和1.25 V，以對應最常見的反饋電壓。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電壓擺幅對要調節的DC - DC轉換器輸出電壓的影響程度。根據公式 (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寄存器的代碼進行限制。如果DNLIMx > DPLIMx，DAC輸出緩沖器將被三態化，從而提高系統的安全性。

通信與配置

上電配置下載

ADM1169的配置由RAM中的內容決定，RAM由數字鎖存器組成，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、調整PDO的上升時間延遲等。ADM1169提供了三種更新配置的選項：實時更新、更新Latch A而不更新Latch B、更改EEPROM寄存器內容并下載到RAM。這些選項通過UPDCFG寄存器進行控制。

排序引擎更新

排序引擎（SE）有自己獨立的512字節EEPROM用于存儲狀態定義。要更改狀態，必須直接對EEPROM進行修改，因為每個狀態沒有對應的RAM。

內部寄存器

ADM1169包含大量數據寄存器，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。

EEPROM

ADM1169有兩個512字節的非易失性EEPROM，分別用于存儲配置數據、用戶信息、故障記錄和SE的狀態定義。EEPROM可以通過串行總線進行讀寫操作，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通過串行系統管理總線（SMBus）進行控制，作為從設備連接到總線上。設備上電后約1 ms完成從EEPROM的下載，在此之前訪問設備會返回無應答（NACK）。ADM1169有一個7位串行總線從地址，可通過A1和A0引腳設置，允許四個ADM1169設備連接到一個SMBus上。

SMBus協議

SMBus協議包括寫操作和讀操作，寫操作有發送字節、寫字節/字和塊寫三種協議，讀操作有接收字節和塊讀兩種協議。此外，ADM1169還提供了數據包錯誤檢查（PEC）字節選項，用于驗證數據的正確性。

總結

ADM1169是一款功能強大、靈活且全面的多電源系統監控與排序解決方案。它不僅提供了精確的電源監控、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。無論是在中央辦公系統、服務器/路由器、多電壓系統線卡還是DSP/FPGA電源排序等應用中，ADM1169都能發揮重要作用。

各位電子工程師在實際項目中遇到多電源系統監控與排序問題時，可以考慮ADM1169這款芯片，相信它會為你的設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？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。