UCD9090：10轨电源排序器与监控器的深度解析

在电子系统设计中，电源管理是至关重要的一环。对于那些包含CPU、DSP、微控制器、FPGA、ASIC等的电子系统，往往需要多个电压轨，并对电源的开启和关闭顺序有严格要求，以确保系统的正常运行。TI的UCD9090就是一款能够满足这些需求的10轨PMBus/I2C可寻址电源排序器和监控器。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

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1. 产品概述

UCD9090是一款功能强大的电源管理芯片，它集成了12位ADC，可监控多达10个电源电压输入。23个GPIO引脚可用于电源启用、上电复位信号、外部中断、级联或其他系统功能，其中10个引脚还具备PWM功能。通过这些引脚，UCD9090支持裕度调节和通用PWM功能。

1.1 主要特性

• 灵活的电源状态控制：通过引脚选择的轨状态功能，最多可使用3个GPI来启用和禁用任何轨，有助于实现系统低功耗模式和ACPI规范。
• 多轨监控与排序：能够监控和排序10个电压轨，所有轨每400μs采样一次，采用12位ADC和2.5V、0.5%的内部 (V_{REF}) ，可根据时间、轨和引脚依赖关系进行排序，每个监控器有四个可编程的欠压和过压阈值。
• 直观的配置软件：TI Fusion Digital Power™ 设计器软件提供设备配置，基于PC的用户界面（UI）为配置、存储和监控所有系统运行参数提供了直观的操作方式。
• 非易失性错误和峰值记录：每个监控器具有非易失性错误和峰值值记录功能（最多30条故障详细条目）。
• 闭环裕度调节：支持10个轨的闭环裕度调节，裕度输出可调整轨电压以匹配用户定义的裕度阈值。
• 可编程看门狗定时器和系统复位：确保系统的稳定性和可靠性。

1.2 封装信息

UCD9090采用VQFN (48) 封装，尺寸为7.00 mm × 7.00 mm。

2. 产品应用

UCD9090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，只要是需要对多个电源轨进行排序和监控的系统，都可以使用UCD9090。

3. 详细特性分析

3.1 TI Fusion用户界面（UI）

TI的Fusion Digital Power Designer提供了基于PC的图形用户界面（GUI），通过直观的I2C/PMBus接口与设备进行交互。设计工程师可以在不直接使用PMBus命令的情况下，配置系统运行参数，将配置存储到片上非易失性存储器中，并观察系统状态（如电压等）。该软件可以从www.ti.com下载。

3.2 PMBus接口

UCD9090支持PMBus标准1.1版本，尽可能使用标准PMBus命令来支持设备功能。对于UCD9090的独特功能，定义了MFR_SPECIFIC命令来进行配置或激活。该设备符合PMBus规范，固件也符合SMBus 1.1规范，支持SMBus ALERT功能，硬件可支持100-kHz或400-kHz的PMBus操作。

3.3 轨配置

一个轨包括电压、电源启用和裕度输出。用户可以定义电源轨在特定系统中的运行方式，然后选择模拟输入引脚和GPIO来监控和启用每个电源。配置完成后，还可以从Vout Config选项卡中为每个轨选择其他关键监控和排序标准，如标称工作电压、欠压和过压警告及故障限制、裕度低和裕度高值、电源良好开启和关闭限制等。

3.4 设备功能模式

3.4.1 电源排序

UCD9090可以通过GPIO设置电源启用引脚的高低来控制多达10个电压轨的开启和关闭顺序。在基于PMBus的设计中，系统PMBus主设备可以通过断言PMBus_CNTRL引脚或通过I2C串行总线发送OPERATION命令来启动排序事件。在基于引脚的设计中，PMBus_CNTRL引脚也可用于排序。每个轨的开启和关闭排序有多种选项可供选择，如固定延迟时间、依赖其他轨达到调节状态等。

3.4.2 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，有助于实现系统低功耗模式和ACPI规范。通过配置GPI引脚，可以选择8种系统状态，当输入引脚呈现新状态时，轨将根据其排序依赖关系改变状态。

3.4.3 监控功能

• 电压监控：UCD9090有11个监控输入引脚（MONx），可配置为测量电压信号，以报告电压、电流和温度类型的测量值。其中，MON1 - MON6可使用数字硬件比较器，实现更快的故障响应。
• 电流监控：通过外部电路将电流转换为电压，使用模拟输入进行电流监控。测量值通过滑动平均数字滤波器进行平滑处理，减少误报故障的概率。
• 远程温度监控和内部温度传感器：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；远程温度传感器可通过配置增益和偏移来报告远程温度。
• 主机输入温度：主机系统可以通过PMBus向UCD9090提供所需的温度，用于检测过温警告或故障、记录峰值温度等。

3.4.4 故障响应和警报处理

UCD9090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引脚将立即断言，并在PMBus状态寄存器中设置相应的位。设备还支持多种故障响应选项，如继续无中断、立即关闭、使用延迟关闭、重启等。

3.4.5 关闭所有轨并重新排序

在发生故障或收到RESEQUENCE命令时，UCD9090可以配置为关闭一组轨，然后重新排序。所有被指定为故障关闭从轨的轨将进行软关闭，直到重试次数用尽后才执行重新排序操作。

3.4.6 GPIO功能

UCD9090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引脚可用于排序和警报处理中的依赖项，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。

3.4.7 GPO控制

GPIO配置为输出时，可以通过PMBus命令或内部布尔函数块中定义的逻辑进行控制。通过PMBus命令控制GPO可以用于控制LED、启用开关等。

3.4.8 GPO依赖关系

GPIOs可以配置为基于最多两个AND组合的输出，输入可以包括GPO、GPI和轨状态标志。GPO响应可以配置为具有延迟断言或取消断言。

3.4.9 GPI特殊功能

GPIs有五种特殊输入功能，如GPI故障启用、锁存状态清除源、裕度启用输入源、裕度低/非高输入源等。

3.4.10 电源启用引脚

每个GPIO可以配置为电源启用引脚，具有有源低或有源高极性。在复位期间，GPIO引脚为高阻抗，FPWM/GPIO引脚（引脚10至17）被驱动为低电平。

3.4.11 多设备级联

• 连接GPIO引脚到PMBus_CNTRL引脚：通过将一个设备的GPIO引脚作为电源良好输出连接到另一个设备的PMBus_CNTRL输入引脚，可以创建多个设备之间的主从关系。
• 连接GPIO引脚到MON引脚：将一个设备的电源良好输出连接到另一个设备的MON引脚，可实现多个设备的轨排序。

3.4.12 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15.260 kHz至125 MHz，可用于闭环裕度调节、风扇控制或通用PWM。
• PWM1 - 2：引脚22和23可作为GPI或PWM输出，输出频率为0.93 Hz至7.8125 MHz。

3.4.13 可编程多相PWM

FPWMs可以参考其相位进行对齐，每个FPWM的相位可从0°到360°进行配置，为基于PWM的应用提供了灵活性。

3.4.14 裕度调节

裕度调节用于产品验证测试，可通过PMBus使用OPERATION命令或配置两个GPIO引脚作为裕度启用和裕度上下输入进行控制。支持开环和闭环裕度调节。

3.4.15 运行时钟

运行时钟以毫秒和天为单位，存储在非易失性存储器中。可以通过主机进行校正和初始化，用于记录故障时间戳。

3.4.16 系统复位信号

UCD9090可以生成可编程的系统复位脉冲，通过编程GPIO在特定轨或轨组合达到其POWER_GOOD_ON电平加上可编程延迟时间后保持取消断言。

3.4.17 看门狗定时器

GPI和GPO可以配置为看门狗定时器（WDT），WDT可以独立于电源排序或与作为看门狗输出（WDO）的GPIO相关联。WDT可以通过切换看门狗输入（WDI）引脚或通过I2C写入SYSTEM_WATCHDOG_RESET进行复位。

3.4.18 数据和错误记录到闪存

UCD9090可以将故障和设备复位次数记录到闪存中，每个轨的峰值电压测量值也会存储。为减少闪存压力，当测量值超过先前记录的值时，会启动30秒定时器，仅将30秒间隔内的最高值从RAM写入闪存。

3.4.19 欠压功能

UCD9090可以启用欠压功能，在检测到欠压事件（ (V_{CC}) 低于2.9 V）之前关闭所有非易失性记录。该功能可以提高设备对事件的内部响应时间，因为在正常系统运行期间禁用了闪存写入。

3.4.20 PMBus地址选择

通过两个引脚解码PMBus地址，在电源上电时，设备向每个地址检测引脚施加偏置电流，内部12位ADC捕获引脚电压，根据电压计算PMBus地址。

3.4.21 设备复位

UCD9090具有集成的上电复位（POR）电路，当 (V_{33 D}) 大于VRESET时，设备退出复位状态。也可以通过外部电路连接到RESET引脚强制设备进入复位状态。

3.4.22 JTAG接口

JTAG端口可用于生产编程，四个JTAG引脚在正常操作期间也可作为GPIOs使用。JTAG接口默认禁用，在特定条件下（如数据闪存为空或检测到地址126 (0x7E) ）启用。

3.4.23 内部故障管理和内存错误校正（ECC）

UCD9090在每次上电时验证固件校验和和设备配置校验和，如果不匹配，会加载工厂默认配置并断言PMBALERT#引脚。使用错误校正码（ECC）提高数据完整性，检测和纠正数据闪存中的单比特错误。

4. 编程方法

从工厂出厂时，设备包含排序和监控固件，所有GPO为高阻抗（除了FPWM/GPIO引脚10 - 17被驱动为低电平）。用户可以使用Fusion GUI设计配置文件，然后通过以下三种方式对设备进行配置编程：

• 通过I2C使用PMBus命令：主机微控制器可以通过I2C使用PMBus命令对设备进行编程，配置数据发送到设备后，通过特殊命令STORE_DEFAULT_ALL将其转移到非易失性存储器中。
• 生成PMBus或I2C命令脚本文件：Fusion GUI可以创建PMBus或I2C命令脚本文件，用于I2C主设备配置设备。
• 创建数据闪存映像：Fusion GUI可以从配置文件创建数据闪存映像，以Intel Hex、Serial Vector Format (SVF) 和S-record等格式导出，通过I2C或JTAG下载到设备中。

5. 应用与实现

5.1 典型应用

UCD9090可用于对多达10个电压轨进行排序、监控和裕度调节，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。

5.2 设计要求

• TRST引脚必须有一个10-kΩ下拉电阻接地。
• RESET引脚应连接一个10-kΩ上拉电阻到V33D，并连接一个1-nF去耦电容到地。
• 建议在PMBus主机中启用数据包错误检查（PEC），以避免接收错误的PMBus命令。
• 建议使用欠压功能和电路，以防止故障日志在电源下降时损坏。
• 不要使用RESET引脚对轨进行电源循环，应使用PMBus_CNTRL引脚或引脚选择的轨状态功能。
• 不建议将一对FPWM引脚同时配置为轨启用和PWM功能。
• 生产编程建议使用数据闪存十六进制文件或数据闪存脚本文件，以避免GPIO引脚出现意外行为。
• 设备编程期间，V33D电源必须稳定，避免设备复位，以免数据闪存损坏。

5.3 详细设计步骤

使用Fusion GUI可以在线或离线设计设备配置，一般设计步骤包括：

1. 轨设置
2. 轨监控配置
3. GPI配置
4. 轨序列配置
5. 故障响应配置
6. GPO配置
7. 裕度配置
8. 其他配置，如引脚选择的轨状态、看门狗定时器、系统复位等

6. 电源供应建议

UCD9090应使用3.3-V电源供电，上电时，V33D必须以最小0.25 V/ms的转换速率从2.3 V单调上升到2.9 V。

7. 布局指南

• 热焊盘应连接到印刷电路板（PCB）的 (V{SS}) 引脚，并提供至少4 × 4的PCB过孔图案，将热焊盘和 (V{SS}) 引脚连接到其他PCB层的电路接地。
• 为电源引脚提供旁路电容，如在引脚35（BPCAP）使用1-μF、X7R陶瓷电容与0.01-μF、X7R陶瓷电容并联，在引脚33（V33D）和引脚34（V33A）使用0.1-μF、X7R陶瓷电容与4.7-μF、X5R陶瓷电容并联。
• V33D（引脚33）直接连接到3.3V电源，V33A（引脚34）通过4.99-Ω电阻连接到V33D，以形成低通滤波器，减少V33A上的噪声。
• 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。

UCD9090是一款功能丰富、性能强大的电源管理芯片，适用于多种需要多轨电源排序和监控的应用场景。通过合理的配置和使用，可以提高系统的稳定性和可靠性。你在使用UCD9090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。