德州仪器UCD9090A：10轨电源排序与监控的理想之选

在电子系统设计中，对于多电压轨的电源管理和监控是一个关键挑战。德州仪器（TI）的UCD9090A 10轨电源排序器和监控器，为解决这一问题提供了强大而灵活的解决方案。本文将深入探讨UCD9090A的特性、应用、详细功能以及设计要点。

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一、UCD9090A的特性亮点

1. 多轨监控与排序

UCD9090A能够对10个电压轨进行监控和排序，所有轨每400μs采样一次。配备12位ADC和2.5V、0.5%的内部VREF，可实现高精度的电压测量。排序功能基于时间、轨和引脚依赖关系，每个监控器有四个可编程的欠压和过压阈值。

2. 非易失性日志记录

每个监控器都具备非易失性错误和峰值值记录功能，最多可记录26条故障详细条目，方便故障分析和系统调试。

3. 闭环裕量调节

支持10个轨的闭环裕量调节，通过裕量输出调整轨电压，以匹配用户定义的裕量阈值，确保系统在不同工作条件下的稳定性。

4. 灵活的控制与接口

具有可编程的看门狗定时器和系统复位功能，以及灵活的数字I/O配置。可响应和监控GPI触发的故障，还能轻松级联多个电源排序器，实现协调的故障响应。此外，支持JTAG和I2C/SMBus/PMBus™接口，方便与其他设备进行通信和控制。

二、应用领域广泛

UCD9090A适用于多种应用场景，包括工业和ATE、电信和网络设备、服务器和存储系统等，以及任何需要对多个电源轨进行排序和监控的系统。

三、详细功能解析

1. 功能框图与接口

UCD9090A的功能框图展示了其内部结构，包括JTAG或GPIO接口、通用I/O、I2C/PMBus接口、比较器、排序引擎、12位ADC、多相PWM、FLASH内存和裕量输出等模块。通过这些模块的协同工作，实现对电源轨的全面管理和监控。

2. 电源排序功能

开启排序

支持多种开启排序选项，如仅监控、OPERATION命令后的固定延迟时间、PMBus_CNTRL引脚断言后的固定延迟时间、父轨达到稳定后的固定时间、指定GPI或GPO达到用户指定状态后的固定时间等。最大TON_DELAY时间为3276ms。

关闭排序

关闭排序选项同样丰富，包括仅监控、OPERATION命令关闭后的固定延迟时间、PMBus_CNTRL引脚去断言后的固定延迟时间、父轨低于稳定状态后的固定时间、轨出现欠压、过压或最大开启故障时的固定延迟时间、作为故障关机从轨时对其他轨故障的响应延迟时间、指定GPI或GPO达到用户指定状态后的固定时间等。最大TOFF_DELAY时间为3276ms。

排序配置选项

除了开启和关闭排序选项外，还可以配置最大开启时间（TON_MAX_FAULT_LIMIT），即轨启用后到监控的轨电压必须达到其电源良好设置的时间。轨可以配置为立即关闭或根据轨和GPI依赖关系以及用户定义的延迟时间进行顺序关闭。

3. 引脚选择的轨状态

该功能允许使用最多3个GPI来启用和禁用任何轨，对于实现系统低功耗模式和高级配置与电源接口（ACPI）规范非常有用。在最多8种系统状态下，电源系统设计人员可以定义哪些轨开启，哪些轨关闭。

4. 监控功能

电压监控

UCD9090A有11个监控输入引脚（MONx），除MON11（引脚37）的输入电压范围为0.2V - 2.5V外，其他MONx输入的范围为0V - 2.5V。ADC连续工作，每个轨每400μs采样一次，最大采样电压的源阻抗应小于4kΩ。MON1 - MON6可配置数字硬件比较器，实现更快的故障响应。

电流监控

通过模拟输入可以监控电流，需要外部电路将电流转换为UCD9090A MONx输入范围内的电压。电流测量使用滑动平均数字滤波器进行平滑处理，可减少误报故障的概率。支持多个与电流相关的PMBus命令，如READ_IOUT、IOUT_OC_FAULT_LIMIT等。

温度监控

支持内部和远程温度传感。内部温度传感器无需校准，可通过PMBus接口报告设备温度。远程温度传感器可使用可配置的增益和偏移来报告温度，测量同样使用滑动平均数字滤波器进行平滑处理。支持多个与温度相关的PMBus命令，如READ_TEMPERATURE_1、OT_FAULT_LIMIT等。

主机输入温度

如果主机系统不使用UCD9090A的温度传感功能，也可以通过PMBus向UCD9090A提供所需的温度。主机提供的温度将用于检测过温警告或故障、记录峰值温度、作为布尔逻辑构建器功能的输入以及风扇控制算法的反馈。

5. 故障响应与警报处理

UCD9090A监控轨是否在正常运行范围内，有两个可编程的警告级别（欠压和过压）和两个可编程的故障级别（欠压和过压）。当任何监控电压超出警告或故障窗口时，PMBALERT#引脚立即断言，并在PMBus状态寄存器中设置相应的位。每个MON输入可以启用或禁用可编程的毛刺滤波器，故障响应决策基于12位ADC的结果。

6. GPIO功能

UCD9090A有21个GPIO引脚，可作为输入或输出。每个GPIO具有可配置的输出模式选项，如开漏或推挽输出。GPIO可以在排序和警报处理中作为依赖项，也可用于系统级功能，如外部中断、电源良好信号、复位或多个设备的级联。

7. PWM输出

FPWM1 - 8

引脚10 - 17可配置为快速脉冲宽度调制器（FPWMs），频率范围为15.260kHz - 125MHz。可作为闭环裕量输出、风扇控制器或通用PWM。FPWM频率设置适用于引脚对，如FPWM1和FPWM2具有相同的频率。

PWM1 - 2

引脚22和23可作为GPI或PWM输出，输出频率为0.93Hz - 7.8125MHz。频率通过对15.625MHz时钟进行分频得到。

8. 其他功能

还包括可编程多相PWM、裕量调节（开环和闭环）、运行时钟、系统复位信号、看门狗定时器、数据和错误日志记录到闪存、欠压功能、PMBus地址选择、设备复位、JTAG接口和内部故障管理与内存错误校正（ECC）等功能。

四、编程与配置

1. 编程选项

从工厂出厂时，设备包含排序和监控固件，所有GPO为高阻抗（除FPWM/GPIO引脚10 - 17驱动为低电平），无排序或故障响应操作。用户可以使用Fusion GUI设计配置文件，有三种主要的设备配置编程选项：

通过I2C使用PMBus命令

主机微控制器可以通过I2C使用PMBus命令对设备进行在线编程。所有所需的配置数据发送到设备后，通过特殊命令STORE_DEFAULT_ALL将其传输到非易失性内存（数据闪存）。但此方法可能导致GPIO引脚出现意外行为，不推荐用于生产编程。

Fusion GUI生成命令脚本文件

Fusion GUI可以创建PMBus或I2C命令脚本文件，供I2C主设备配置设备。同样，此方法可能导致GPIO引脚出现意外行为，不推荐用于生产编程。

Fusion GUI生成数据闪存映像

Fusion GUI可以从配置文件创建数据闪存映像，可导出为Intel Hex、数据闪存脚本、串行向量格式（SVF）和S-record等格式。使用数据闪存十六进制文件或数据闪存脚本文件进行生产编程，因为GPIO引脚处于受控状态。

2. 正常模式下的全配置更新

在正常模式下更新全配置时，需要禁用数据闪存写保护，擦除数据闪存，写入数据闪存映像并复位设备。建议使用Fusion Digital Power Designer软件生成的数据闪存脚本文件，这是生产编程的推荐方法。

五、应用与设计要点

1. 典型应用

UCD9090A的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。在设计应用电路时，需要注意一些关键要求，如TRST引脚需连接10kΩ下拉电阻到地，RESET引脚需连接10kΩ上拉电阻到V33D和1nF去耦电容到地等。

2. 详细设计步骤

使用Fusion GUI进行设备配置设计，可在线或离线进行。一般设计步骤包括轨设置、轨监控配置、GPI配置、轨序列配置、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、系统复位等）。

3. 估算ADC报告精度

UCD9090A使用12位ADC和2.5V内部参考（VREF）将MON引脚输入转换为数字报告电压。可以通过公式计算报告误差，在较低监控电压下，总未调整误差（VTUE）主导报告误差，而在较高监控电压下，VREF的容差主导报告误差。

六、布局与电源建议

1. 布局指南

UCD9090A的热焊盘应连接到PCB的VSS引脚，并提供至少4×4的PCB过孔图案，将热焊盘和VSS引脚连接到其他PCB层的电路接地。对于电源电压去耦，需要在相应引脚提供适当的陶瓷电容。同时，对于用作数字输出的GPIO信号，可能需要进行阻抗控制，以减少快速信号边缘的噪声。

2. 电源建议

使用3.3V电源为UCD9090A供电，在电源启动序列中，V33D引脚的电压必须以最小0.25V/ms的斜率从2.3V单调上升到2.9V。

七、总结

UCD9090A是一款功能强大、灵活性高的10轨电源排序器和监控器，适用于多种复杂的电子系统设计。通过其丰富的功能和灵活的配置选项，电子工程师可以实现对多电压轨的精确管理和监控，提高系统的可靠性和稳定性。在设计过程中，需要注意编程、布局、电源等方面的要点，以确保设备的正常运行。你在使用UCD9090A的过程中遇到过哪些问题呢？或者对其功能有什么独特的应用想法吗？欢迎在评论区分享交流。