UCD90910：多功能電源管理解決方案的核心力量

在當(dāng)今的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，電源管理至關(guān)重要。它不僅要確保設(shè)備穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，還要滿足各種復(fù)雜的功能需求。Texas Instruments 的 UCD90910 作為一款十軌 I2C/PMBus 可尋址電源供應(yīng)定序器和系統(tǒng)健康監(jiān)視器，為電源管理帶來了全面且強(qiáng)大的解決方案。接下來，讓我們深入了解 UCD90910 的各項(xiàng)特性、功能以及應(yīng)用場(chǎng)景。

文件下載：ucd90910.pdf

1. 關(guān)鍵特性

1.1 電源軌監(jiān)控與定序

UCD90910 能夠監(jiān)控和定序多達(dá)十個(gè)電壓軌，每 400 毫秒對(duì)所有軌進(jìn)行一次采樣。它配備 12 位 ADC 和 2.5V、0.5% 內(nèi)部 VREF，可根據(jù)時(shí)間、軌和引腳依賴性進(jìn)行定序。每個(gè)監(jiān)視器還具備四個(gè)可編程的欠壓和過壓閾值，能有效保障電源軌的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 風(fēng)扇控制與監(jiān)控

該芯片支持多達(dá)十個(gè)風(fēng)扇的控制與監(jiān)控，提供五個(gè)用戶定義的速度 - 溫度設(shè)定點(diǎn)。同時(shí)，它兼容兩線、三線和四線風(fēng)扇，為散熱管理提供了靈活的解決方案。

1.3 非易失性錯(cuò)誤與峰值記錄

UCD90910 可為每個(gè)監(jiān)視器提供非易失性錯(cuò)誤和峰值記錄功能，最多可記錄 12 個(gè)故障，便于故障排查和系統(tǒng)可靠性分析。

1.4 閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)

它支持十個(gè)軌的閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)，通過裕度輸出調(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。

1.5 其他特性

此外，UCD90910 還具備可編程看門狗定時(shí)器和系統(tǒng)復(fù)位、靈活的數(shù)字 I/O 配置、多相 PWM 時(shí)鐘生成器、內(nèi)部溫度傳感器以及 JTAG 和 I2C?/SMBus/PMBus 接口等功能，并且能夠在正常模式下進(jìn)行完整的配置更新。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

UCD90910 的多功能性使其適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括工業(yè)/ATE 設(shè)備、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)，以及任何需要對(duì)多個(gè)電源軌進(jìn)行定序和監(jiān)控的系統(tǒng)。

3. 功能詳解

3.1 PMBus 接口

PMBus 是專門為支持電源管理而設(shè)計(jì)的串行接口，UCD90910 支持 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的 1.1 版本。在可能的情況下，它使用標(biāo)準(zhǔn) PMBus 命令來支持設(shè)備功能，同時(shí)針對(duì)獨(dú)特功能定義了 MFR_SPECIFIC 命令。該設(shè)備的硬件可支持 100kHz 或 400kHz 的 PMBus 操作，并且固件符合 SMBus 1.1 規(guī)范，包括對(duì) SMBus ALERT 功能的支持。

3.2 工作原理

現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的各種設(shè)備對(duì)電源電壓的定序和時(shí)序非常敏感，UCD90910 能夠?qū)﹄娫措妷哼M(jìn)行定序，防止因不當(dāng)?shù)纳想娀蛳码姴僮鲗?dǎo)致的故障、間歇性運(yùn)行或設(shè)備損壞。同時(shí)，它能妥善處理欠壓、過壓、過流和過熱等故障，延長系統(tǒng)壽命并提高長期可靠性，還會(huì)將電源故障存儲(chǔ)到片上非易失性閃存中，方便系統(tǒng)故障分析。

3.3 電源供應(yīng)定序

UCD90910 可通過 GPIO 設(shè)置電源供應(yīng)使能引腳的高低電平，控制多達(dá)十個(gè)電壓軌的開啟和關(guān)閉順序。在基于 PMBus 的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng) PMBus 主設(shè)備可以通過斷言 PMBUS_CNTRL 引腳或通過 I2C 串行總線發(fā)送 OPERATION 命令來啟動(dòng)定序事件；在基于引腳的設(shè)計(jì)中，PMBUS_CNTRL 引腳也可用于定序。此外，它支持多種開啟和關(guān)閉定序選項(xiàng)，如固定延遲時(shí)間、依賴其他軌或 GPI 的狀態(tài)等。

3.4 監(jiān)控功能

UCD90910 擁有 13 個(gè)監(jiān)控輸入引腳（MONx），可復(fù)用為 2.5V 參考的 12 位 ADC，能夠測(cè)量電壓、電流和溫度等信號(hào)。通過數(shù)字濾波技術(shù)，可根據(jù)信號(hào)類型對(duì)不同輸入進(jìn)行處理，如電壓輸入無濾波，電流和溫度輸入采用低通濾波器。

3.5 故障響應(yīng)與警報(bào)處理

當(dāng)監(jiān)測(cè)到任何電壓、電流或溫度超出警告或故障窗口時(shí)，PMBALERT# 引腳會(huì)立即斷言，并在 PMBus 狀態(tài)寄存器中設(shè)置相應(yīng)的位。每個(gè) MON 輸入都可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。UCD90910 提供多種故障響應(yīng)選項(xiàng)，如繼續(xù)無中斷運(yùn)行、立即關(guān)閉、按延遲時(shí)間關(guān)閉、重啟等。

3.6 GPIO 功能

UCD90910 具有 22 個(gè) GPIO 引腳，可作為輸入或輸出使用。每個(gè) GPIO 具有可配置的輸出模式選項(xiàng)，如開漏或推挽輸出。這些引腳可用于電源供應(yīng)使能、外部中斷、電源良好信號(hào)、復(fù)位或級(jí)聯(lián)多個(gè)設(shè)備等系統(tǒng)級(jí)功能。同時(shí)，GPIOs 還可通過 PMBus 命令或內(nèi)部布爾函數(shù)塊進(jìn)行控制，并且可以配置為基于布爾組合的輸出。

3.7 PWM 輸出

Pins 17 - 24 可配置為快速脈寬調(diào)制器（FPWMs），頻率范圍為 15.260kHz 至 125MHz，可用于閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)輸出、風(fēng)扇控制或通用 PWM 功能。Pins 31、32、41 和 42 可作為 GPIs 或 PWM 輸出，其中 PWM1 固定頻率為 10kHz，PWM2 固定頻率為 1kHz，PWM3 和 PWM4 頻率范圍為 0.93Hz 至 7.8125MHz。

3.8 裕量調(diào)節(jié)

UCD90910 支持開環(huán)和閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)。開環(huán)裕量調(diào)節(jié)通過連接電源反饋節(jié)點(diǎn)到地和輸出電壓來實(shí)現(xiàn)；閉環(huán)裕量調(diào)節(jié)則使用 PWM 或 FPWM 輸出，通過外部 RC 網(wǎng)絡(luò)將脈沖轉(zhuǎn)換為直流裕量電壓，連接到電源反饋節(jié)點(diǎn)，通過調(diào)整 PWM 占空比來控制電源輸出電壓。

3.9 風(fēng)扇控制

該芯片可控制和監(jiān)控多達(dá)十個(gè)兩線、三線或四線風(fēng)扇。通過自動(dòng)校準(zhǔn)功能，可自動(dòng)找到并記錄每個(gè)風(fēng)扇的開啟、關(guān)閉和最大速度及占空比。同時(shí)，它支持兩種風(fēng)扇控制算法：滯回風(fēng)扇控制和設(shè)定點(diǎn)風(fēng)扇控制，可根據(jù)監(jiān)測(cè)溫度自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇速度。

3.10 系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)與看門狗定時(shí)器

UCD90910 可在定序開啟時(shí)生成可編程的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，通過編程 GPIO 使其在特定軌電壓達(dá)到 POWER_GOOD_ON 水平加上可編程延遲時(shí)間后斷言。此外，它還可配置 GPI 和 GPO 作為看門狗定時(shí)器，可獨(dú)立于電源供應(yīng)定序或與系統(tǒng)復(fù)位功能關(guān)聯(lián)。

3.11 數(shù)據(jù)與錯(cuò)誤記錄

UCD90910 能夠?qū)⒐收虾驮O(shè)備復(fù)位次數(shù)記錄到閃存中，同時(shí)存儲(chǔ)每個(gè)軌的峰值電壓、電流和溫度測(cè)量值。為減少閃存壓力，采用 30 秒定時(shí)器，僅記錄該時(shí)間段內(nèi)的最高值。

3.12 PMBus 地址選擇

通過兩個(gè)引腳對(duì) PMBus 地址進(jìn)行解碼，根據(jù)引腳電壓計(jì)算地址。同時(shí)，需要注意避免使用一些特定的地址，以免與其他設(shè)備沖突。

3.13 高壓電源電壓調(diào)節(jié)器

UCD90910 可使用外部 3.3V 調(diào)節(jié)器直接供電，也可通過內(nèi)置串聯(lián)調(diào)節(jié)器和外部晶體管從更高電壓生成 3.3V 電源。外部晶體管需為 NPN 設(shè)備，且β值至少為 40。

4. 配置與編程

從工廠出廠時(shí)，UCD90910 包含定序和監(jiān)控固件，所有 GPO 為高阻抗?fàn)顟B(tài)。用戶可使用 Fusion GUI 設(shè)計(jì)配置文件，并通過多種方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程，包括通過主機(jī)微控制器使用 PMBus 命令進(jìn)行在線編程、使用 Fusion GUI 創(chuàng)建命令腳本文件或數(shù)據(jù)閃存映像文件進(jìn)行編程等。同時(shí)，該芯片支持在正常模式下進(jìn)行完整配置更新。

5. JTAG 接口

JTAG 端口可用于生產(chǎn)編程，其中四個(gè) JTAG 引腳在正常操作時(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。

6. 內(nèi)部故障管理與內(nèi)存錯(cuò)誤糾正

UCD90910 在每次上電時(shí)驗(yàn)證固件和設(shè)備配置的校驗(yàn)和，若不匹配則采取相應(yīng)措施。同時(shí)，它使用內(nèi)部固件看門狗定時(shí)器和錯(cuò)誤糾正碼（ECC）來提高數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)可靠性。

7. 應(yīng)用信息

7.1 布局指南

在 PCB 設(shè)計(jì)中，應(yīng)將設(shè)備的外露熱焊盤連接到 VSS 引腳，并提供至少 4x4 模式的 PCB 過孔，以連接熱焊盤和 VSS 引腳到其他 PCB 層的接地。同時(shí)，要對(duì)電源引腳進(jìn)行旁路電容處理，并根據(jù) GPIO 信號(hào)用途進(jìn)行阻抗控制。

7.2 估算 ADC 報(bào)告精度

UCD90910 使用 12 位 ADC 和內(nèi)部 2.5V 參考將 MON 引腳輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字報(bào)告電壓，可根據(jù)給定公式計(jì)算報(bào)告誤差。

總結(jié)

UCD90910 憑借其豐富的功能和出色的性能，為電子工程師提供了一個(gè)全面、靈活且可靠的電源管理解決方案。無論是在工業(yè)、電信、服務(wù)器還是其他領(lǐng)域，它都能滿足復(fù)雜的電源軌定序、監(jiān)控和故障處理需求。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理配置和使用 UCD90910 的各項(xiàng)功能，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。你在使用類似電源管理芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。