UCD91160：十六轨电源管理的卓越之选

开篇

在电子系统设计中，电源管理是至关重要的一环。对于那些需要精确控制和监测多个电压轨的应用，一款性能出色的电源管理芯片能带来极大的便利和可靠性。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的 UCD91160 16 轨 PMBus™ 电源定序器和系统管理器。

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产品特性：功能强大，灵活配置

多轨管理能力

UCD91160 具备强大的多轨管理能力，能够对多达 16 个模拟轨进行定序和监控。这对于那些需要多个不同电压供电的复杂电子系统来说，无疑提供了极大的便利。而且，它还支持对多达 8 个轨进行 PWM 裕量调节，通过这种方式可以对电压轨进行测试和精确调整，确保系统在各种工况下都能稳定运行。此外，通过级联功能，最多可以连接 4 个 UCD91160 设备，从而实现对多达 64 个轨的管理，进一步拓展了其应用范围。

主动调节与故障监测

主动调节功能允许用户对输出电压进行微调，以满足特定的应用需求。同时，该芯片能够实时监测过压（OV）、欠压（UV）、超时和 GPI 触发的故障，并做出相应的响应。这种全面的故障监测和处理能力，大大提高了系统的可靠性和稳定性。

灵活的配置选项

在定序方面，UCD91160 提供了灵活的依赖关系、延迟时间、布尔逻辑和 GPIO 配置。它支持基于轨状态的定序、延迟时间设置以及 LGPO 引脚配置，适用于复杂的定序应用。此外，它还提供了四个轨配置文件，用于自适应电压识别（AVID）电压调节器，能够根据系统的实际需求动态调整电压。

故障记录与监控

非易失性故障事件日志功能结合 RTC 和时间戳，能够记录系统的故障信息。其中，单事件故障日志可记录 100 条条目，而黑匣子故障日志则会保存所有轨的故障信息和状态，分别记录首次故障和掉电事件前的最后一次故障。在配置活动期间，芯片还能继续监测轨，以最大程度地提高系统的正常运行时间。

其他特性

可编程看门狗定时器和系统复位功能为系统提供了额外的保护机制。GPI 控制的轨组功能允许用户根据需要灵活控制轨的状态。同时，该芯片还具备 SEU 缓解和 ECC（单错误纠正 + 双错误检测）功能，提高了系统的抗干扰能力。此外，它符合 PMBus™ 1.2 标准，并支持 PMBus 安全配置文件 Level 0，通过自定义命令还能启用 Level 2 的功能。

应用领域：广泛适用，满足多样需求

UCD91160 的应用领域非常广泛，涵盖了有线网络、无线基础设施、数据通信模块、数据中心和企业计算、工厂自动化和控制、测试和测量以及医疗等多个领域。在这些领域中，对电源的精确管理和监控是确保系统稳定运行的关键，而 UCD91160 正好能够满足这些需求。

产品描述：引脚功能与工作原理

引脚配置

UCD91160 采用 64 引脚 QFP 封装，拥有丰富的引脚功能。专用的 MONx 引脚可在模拟或数字模式下监测多达 16 个电压轨，16 个轨使能（ENx）引脚用于对调节器进行定序，8 个裕量调节（MARx）引脚可用于将调节器推至高低限（裕量）进行测试，或主动调节输出以提高精度。16 个逻辑通用输出（LGPOx）引脚的输出状态可由 GPI 状态、轨状态和其他 LGPO 控制。

故障记录与级联功能

非易失性事件日志可在掉电后保留故障事件，黑匣子故障日志则能保存故障信息和所有轨的状态，记录掉电前的首次和最后一次故障事件。级联功能为管理多达 64 个电压轨提供了便利，用户定义的故障引脚可协调级联设备进行同步故障响应。

软件配置

Sequencer Studio™ 软件是一款基于 PC 的直观图形用户界面（GUI），可用于配置、存储和监控所有系统运行参数，无需用户具备专业的编码技能，大大简化了设备的配置过程。

规格参数：确保性能稳定

绝对最大额定值

在绝对最大额定值方面，UCD91160 对 VDD 电源电压、输入电压、电流等参数都有明确的限制。例如，VDD 引脚的电源电压范围为 -0.3V 至 4.1V，输入电压在不同类型引脚的范围也有所不同。在电流方面，不同温度条件下，VDD 引脚的源电流和 VSS 引脚的沉电流也有相应的限制。此外，结温范围为 -40°C 至 130°C，存储温度范围为 -40°C 至 150°C。需要注意的是，超出绝对最大额定值可能会导致设备永久性损坏，因此在使用过程中必须严格遵守这些参数限制。

ESD 评级

该芯片的静电放电（ESD）评级方面，人体模型（HBM）为 ±2000V，带电设备模型（CDM）为 ±500V。这表明它在一定程度上具备抗静电干扰的能力，但在实际操作中，仍需采取适当的防静电措施，以确保设备的安全。

推荐工作条件

推荐工作条件下，VDD 电源电压为 2.9V 至 3.6V，连接在 VDD 和 VSS 之间的电容 CVDD 为 10uF，连接在 BPCAP 和 VSS 之间的电容 CBPCAP 为 470nF。环境温度方面，S 版本为 -40°C 至 125°C，T 版本的最大结温为 125°C。在实际应用中，应尽量满足这些推荐工作条件，以保证设备的性能和可靠性。

热信息

热信息方面，不同的热指标如结到环境的热阻（RθJA）、结到外壳（顶部）的热阻（RθJC(top)）等都有明确的数值。这些热指标对于散热设计非常重要，在设计过程中需要根据实际情况进行合理的散热规划，以确保设备在正常工作温度范围内运行。

电气特性

电气特性包括模拟输入电压范围、ADC 采样时间、采样频率、工作电源电流等多个参数。例如，模拟输入电压范围适用于所有 ADC 模拟输入引脚，ADC 采样时间为 250ns，采样频率为 10ksps 等。这些参数对于理解设备的电气性能和进行电路设计至关重要。

线性参数

线性参数方面，包括积分线性误差（INL）、差分线性误差（DNL）、偏移误差（EO）和增益误差（EG）等。通过这些参数可以评估设备的线性度和精度，在实际应用中，需要根据具体需求对这些参数进行合理的调整和优化。

POR 和 BOR

POR（上电复位）和 BOR（欠压复位）方面，对 VDD 电源电压的上升和下降斜率、复位电压水平、迟滞等参数都有详细的规定。这些参数对于确保设备在电源变化时能够正确复位和稳定运行非常关键。

低频晶体/时钟

低频晶体/时钟方面，低频晶体振荡器（LFXT）的频率为 32768Hz，占空比为 30% 至 70%，振荡允许范围为 419kΩ 等。这些参数对于设备的时钟系统设计和稳定性至关重要。

闪存特性

闪存特性包括擦除和编程操作时的电源电流、擦除/编程循环耐久性、数据保留时间等。例如，擦除和编程操作时的电源电流增量最大为 10mA，擦除/编程循环耐久性为 10k 周期，不同温度下的数据保留时间也有所不同。这些特性对于设备的存储功能和数据可靠性有重要影响。

详细描述：深入了解工作模式

概述

电子系统如 CPU、DSP、微控制器、FPGA 和 ASIC 等通常需要多个电压轨，并且需要精确的上电和下电顺序才能正常工作。UCD91160 能够对多达 16 个电压轨进行定序和监控，通过 PMBus 接口报告系统健康信息。它还能对电源系统故障做出预配置的响应，保护电子系统。在故障发生时，黑匣子故障日志会立即存储全面的系统状态报告，后续的故障日志则存储在非易失性存储器中。

功能框图

从功能框图可以看出，UCD91160 具备多种功能模块，包括 SWD 或 PMBus 编程接口、I2C / PMBus 通信接口、数字 I/O 和监控接口、定序引擎、可配置状态机等。这些模块协同工作，实现了对电压轨的精确控制和管理。

特性描述

TI 测序仪工作室软件

TI 测序仪工作室软件通过 PMBus 接口与设备通信，使设计工程师无需学习底层 PMBus 命令即可配置应用的运行参数。软件将配置保存到片上非易失性存储器中，并可在调试过程中观察系统状态。配置完成后，设备在启动时可独立运行。

PMBus 接口

PMBus 是专门为支持电源管理而设计的串行接口，基于 SMBus 接口，UCD91160 支持 PMBus 标准的 1.3 版本。标准 PMBus 接口命令支持设备的基本功能，独特的功能则通过 MFR_SPECIFIC 命令进行配置或激活。

PMBus 安全

UCD91160 保持 PMBus 安全级别 0，并支持自定义命令启用高达 PMBus 安全级别 2 的功能。为符合 PMBus 安全级别 0，设备支持 PASSKEY 命令和 ACCESS_CONTROL 命令。

设备功能模式

黑匣子首次故障记录

系统故障事件中的首次故障对于诊断根本原因至关重要。当 UCD91160 检测到初始故障时，会将每个轨的状态记录并保存在 NVM 的特殊区域（黑匣子）中。后续故障和监控状态则记录在标准故障日志中，BOR 电压越过时的最后一次故障日志也会保存到黑匣子故障日志中。在收集另一个黑匣子故障日志之前，必须通过 PMBus 命令清除黑匣子故障日志。

PMBus 地址选择

通过三个数字输入引脚可以选择 PMBus 地址，不同的引脚电平组合对应不同的地址。

欠压事件

当 VDD 引脚电压低于欠压阈值电压（VBOR）时，UCD91160 会触发欠压事件。在欠压事件期间，设备会继续将欠压事件之前发生的故障日志写入 NVM。当 VDD 引脚电压低于关机阈值电压（VSHDN）时，设备会完全关机，未写入 NVM 的故障事件将丢失。为了保存首次故障日志，用户需要提供足够的本地电容，以确保 VDD 轨在 500µs（或带有黑匣子故障日志时为 4.5ms）内保持高于 VSHDN。

应用与实现：设计要点与步骤

应用信息

UCD91160 可用于对多达 16 个电压轨进行定序和监控，对多达 8 个电压轨进行裕量调节。通过级联最多 4 个 UCD91160 设备，用户可以监控多达 64 个轨，并记录同步故障响应。典型应用包括自动测试设备、电信和网络设备、服务器和存储系统等。用户可以使用 TI 提供的 Sequencer Studio 软件进行设备配置，无需具备编码技能。

典型应用

在典型应用中，UCD91160 可以管理多个电压轨，通过 ENx 引脚控制调节器的使能，通过 MONx 引脚监测电压轨的状态，通过 MARx 引脚进行裕量调节。同时，它还可以与其他设备进行级联，实现更复杂的电源管理功能。

设计要求

UCD91160 需要在 VDD、BPCAP 和 VREF+ 引脚处使用去耦电容，电容值在电气特性中有明确规定。如果应用中不使用 nRESET 信号，nRESET 引脚必须连接到 VDD，可以通过直接连接或 R-C 电路实现。模拟监测引脚能够监测 0V 至 3.3V 的电压轨，输入不应超出此范围。在设备编程期间，VDD 电源必须稳定，避免触发设备复位，否则可能导致配置损坏。TI 建议在 VDD 和 VSS 引脚之间连接 10µF 和 0.1µF 的低 ESR 陶瓷去耦电容，并将电容尽可能靠近电源引脚放置。BPCAP 引脚需要连接 0.47µF 的储能电容，并尽可能靠近设备放置，且不要连接其他电路。

详细设计步骤

使用 Sequencer Studio 软件可以在线或离线设计设备配置。离线模式下，软件会提示用户创建或打开项目文件（.xml）；在线模式下，软件会通过 PMBus 接口自动检测设备并提取配置数据。设计步骤包括轨设置、轨监测配置、GPI 配置、轨定序配置、故障响应配置、GPO 配置、裕量调节配置以及其他配置，如引脚选择的轨状态、看门狗定时器和系统复位等。完成配置后，点击“Write to Hardware”应用更改，在线模式下还需点击“Store RAM to Flash”将新配置永久存储到设备的数据闪存中。

应用曲线

通过应用曲线可以直观地了解设备在启动和关机过程中的波形，例如不同轨的使能信号在不同延迟时间下的变化情况。这些曲线对于调试和优化系统性能非常有帮助。

电源供应建议

UCD91160 由 3.3V 电源供电。如果使用内部参考，VDD 作为 ADC 参考，应确保其电压精确为 3.3V，因为任何输入电压偏差都会引入 ADC 参考误差和 ADC 结果误差。因此，3.3V 电源必须严格调节，允许的电压波动非常小。如果使用外部参考（VREF+），3.3V 电源只需满足电气特性中规定的最低要求。

布局

布局指南

在布局方面，应将去耦电容尽可能靠近设备放置，将 BPCAP 去耦电容尽可能靠近 BPCAP 引脚放置。由于裕量引脚（MARx）输出的 PWM 信号具有快速边沿，应将这些信号远离敏感的模拟信号进行布线。

布局示例

UCD91160 采用 64 引脚 LQFP 封装，如果设计要求将设备安装在顶层，可以将去耦电容放置在底层，以便为顶层的走线留出空间。布局示例中还给出了一些重要的建议，如使用均匀的接地平面连接 VSS 和 VREF- 引脚，将 BPCAP 引脚连接到内部层的公共铜区域等。

设备与文档支持：保障使用体验

文档更新通知

用户可以通过访问 ti.com 上的设备产品文件夹，点击“Notifications”进行注册，以接收文档更新的每周摘要。对于更改细节，可以查看修订文档中的修订历史。

支持资源

TI E2E™ 支持论坛是工程师获取快速、经过验证的答案和设计帮助的重要来源。用户可以搜索现有答案或提出自己的问题，以获得所需的设计帮助。需要注意的是，链接内容由各自的贡献者提供，不构成 TI 规格，也不一定反映 TI 的观点。

商标信息

PMBus™ 是 SMIF, Inc. 的商标，Sequencer Studio™ 是 TI 的商标，TI E2E™ 是德州仪器的商标，所有商标均为其各自所有者的财产。

静电放电注意事项

由于该集成电路可能会受到静电放电（ESD）的损坏，德州仪器建议在处理所有集成电路时采取适当的预防措施。不遵守正确的处理和安装程序可能会导致设备损坏，ESD 损坏的程度可能从细微的性能下降到设备完全故障不等。特别是精密集成电路，由于非常小的参数变化可能导致设备无法满足其公布的规格，因此可能更容易受到损坏。

术语表

TI 术语表列出并解释了相关的术语、首字母缩写词和定义，有助于用户更好地理解文档内容。

总结

UCD91160 作为一款功能强大的 16 轨 PMBus 电源定序器和系统管理器，在电源管理领域具有显著的优势。它的多轨管理能力、灵活的配置选项、全面的故障监测和处理功能以及丰富的软件支持，使其能够满足各种复杂电子系统的电源管理需求。无论是在有线网络、无线基础设施还是数据中心等领域，UCD91160 都能发挥重要作用。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计要求和规格参数，合理选择和使用该芯片，并注意布局、电源供应等方面的设计要点，以确保系统的稳定运行。你在使用类似电源管理芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。