UCD91160：十六軌電源管理的卓越之選

開篇

在電子系統(tǒng)設(shè)計中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。對于那些需要精確控制和監(jiān)測多個電壓軌的應(yīng)用，一款性能出色的電源管理芯片能帶來極大的便利和可靠性。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的 UCD91160 16 軌 PMBus? 電源定序器和系統(tǒng)管理器。

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產(chǎn)品特性：功能強(qiáng)大，靈活配置

多軌管理能力

UCD91160 具備強(qiáng)大的多軌管理能力，能夠?qū)Χ噙_(dá) 16 個模擬軌進(jìn)行定序和監(jiān)控。這對于那些需要多個不同電壓供電的復(fù)雜電子系統(tǒng)來說，無疑提供了極大的便利。而且，它還支持對多達(dá) 8 個軌進(jìn)行 PWM 裕量調(diào)節(jié)，通過這種方式可以對電壓軌進(jìn)行測試和精確調(diào)整，確保系統(tǒng)在各種工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。此外，通過級聯(lián)功能，最多可以連接 4 個 UCD91160 設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對多達(dá) 64 個軌的管理，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。

主動調(diào)節(jié)與故障監(jiān)測

主動調(diào)節(jié)功能允許用戶對輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，以滿足特定的應(yīng)用需求。同時，該芯片能夠?qū)崟r監(jiān)測過壓（OV）、欠壓（UV）、超時和 GPI 觸發(fā)的故障，并做出相應(yīng)的響應(yīng)。這種全面的故障監(jiān)測和處理能力，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

靈活的配置選項(xiàng)

在定序方面，UCD91160 提供了靈活的依賴關(guān)系、延遲時間、布爾邏輯和 GPIO 配置。它支持基于軌狀態(tài)的定序、延遲時間設(shè)置以及 LGPO 引腳配置，適用于復(fù)雜的定序應(yīng)用。此外，它還提供了四個軌配置文件，用于自適應(yīng)電壓識別（AVID）電壓調(diào)節(jié)器，能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求動態(tài)調(diào)整電壓。

故障記錄與監(jiān)控

非易失性故障事件日志功能結(jié)合 RTC 和時間戳，能夠記錄系統(tǒng)的故障信息。其中，單事件故障日志可記錄 100 條條目，而黑匣子故障日志則會保存所有軌的故障信息和狀態(tài)，分別記錄首次故障和掉電事件前的最后一次故障。在配置活動期間，芯片還能繼續(xù)監(jiān)測軌，以最大程度地提高系統(tǒng)的正常運(yùn)行時間。

其他特性

可編程看門狗定時器和系統(tǒng)復(fù)位功能為系統(tǒng)提供了額外的保護(hù)機(jī)制。GPI 控制的軌組功能允許用戶根據(jù)需要靈活控制軌的狀態(tài)。同時，該芯片還具備 SEU 緩解和 ECC（單錯誤糾正 + 雙錯誤檢測）功能，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，它符合 PMBus? 1.2 標(biāo)準(zhǔn)，并支持 PMBus 安全配置文件 Level 0，通過自定義命令還能啟用 Level 2 的功能。

應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛適用，滿足多樣需求

UCD91160 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了有線網(wǎng)絡(luò)、無線基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)中心和企業(yè)計算、工廠自動化和控制、測試和測量以及醫(yī)療等多個領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，對電源的精確管理和監(jiān)控是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，而 UCD91160 正好能夠滿足這些需求。

產(chǎn)品描述：引腳功能與工作原理

引腳配置

UCD91160 采用 64 引腳 QFP 封裝，擁有豐富的引腳功能。專用的 MONx 引腳可在模擬或數(shù)字模式下監(jiān)測多達(dá) 16 個電壓軌，16 個軌使能（ENx）引腳用于對調(diào)節(jié)器進(jìn)行定序，8 個裕量調(diào)節(jié)（MARx）引腳可用于將調(diào)節(jié)器推至高低限（裕量）進(jìn)行測試，或主動調(diào)節(jié)輸出以提高精度。16 個邏輯通用輸出（LGPOx）引腳的輸出狀態(tài)可由 GPI 狀態(tài)、軌狀態(tài)和其他 LGPO 控制。

故障記錄與級聯(lián)功能

非易失性事件日志可在掉電后保留故障事件，黑匣子故障日志則能保存故障信息和所有軌的狀態(tài)，記錄掉電前的首次和最后一次故障事件。級聯(lián)功能為管理多達(dá) 64 個電壓軌提供了便利，用戶定義的故障引腳可協(xié)調(diào)級聯(lián)設(shè)備進(jìn)行同步故障響應(yīng)。

軟件配置

Sequencer Studio? 軟件是一款基于 PC 的直觀圖形用戶界面（GUI），可用于配置、存儲和監(jiān)控所有系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，無需用戶具備專業(yè)的編碼技能，大大簡化了設(shè)備的配置過程。

規(guī)格參數(shù)：確保性能穩(wěn)定

絕對最大額定值

在絕對最大額定值方面，UCD91160 對 VDD 電源電壓、輸入電壓、電流等參數(shù)都有明確的限制。例如，VDD 引腳的電源電壓范圍為 -0.3V 至 4.1V，輸入電壓在不同類型引腳的范圍也有所不同。在電流方面，不同溫度條件下，VDD 引腳的源電流和 VSS 引腳的沉電流也有相應(yīng)的限制。此外，結(jié)溫范圍為 -40°C 至 130°C，存儲溫度范圍為 -40°C 至 150°C。需要注意的是，超出絕對最大額定值可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞，因此在使用過程中必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)限制。

ESD 評級

該芯片的靜電放電（ESD）評級方面，人體模型（HBM）為 ±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±500V。這表明它在一定程度上具備抗靜電干擾的能力，但在實(shí)際操作中，仍需采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施，以確保設(shè)備的安全。

推薦工作條件

推薦工作條件下，VDD 電源電壓為 2.9V 至 3.6V，連接在 VDD 和 VSS 之間的電容 CVDD 為 10uF，連接在 BPCAP 和 VSS 之間的電容 CBPCAP 為 470nF。環(huán)境溫度方面，S 版本為 -40°C 至 125°C，T 版本的最大結(jié)溫為 125°C。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量滿足這些推薦工作條件，以保證設(shè)備的性能和可靠性。

熱信息

熱信息方面，不同的熱指標(biāo)如結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）、結(jié)到外殼（頂部）的熱阻（RθJC(top)）等都有明確的數(shù)值。這些熱指標(biāo)對于散熱設(shè)計非常重要，在設(shè)計過程中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的散熱規(guī)劃，以確保設(shè)備在正常工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

電氣特性

電氣特性包括模擬輸入電壓范圍、ADC 采樣時間、采樣頻率、工作電源電流等多個參數(shù)。例如，模擬輸入電壓范圍適用于所有 ADC 模擬輸入引腳，ADC 采樣時間為 250ns，采樣頻率為 10ksps 等。這些參數(shù)對于理解設(shè)備的電氣性能和進(jìn)行電路設(shè)計至關(guān)重要。

線性參數(shù)

線性參數(shù)方面，包括積分線性誤差（INL）、差分線性誤差（DNL）、偏移誤差（EO）和增益誤差（EG）等。通過這些參數(shù)可以評估設(shè)備的線性度和精度，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求對這些參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整和優(yōu)化。

POR 和 BOR

POR（上電復(fù)位）和 BOR（欠壓復(fù)位）方面，對 VDD 電源電壓的上升和下降斜率、復(fù)位電壓水平、遲滯等參數(shù)都有詳細(xì)的規(guī)定。這些參數(shù)對于確保設(shè)備在電源變化時能夠正確復(fù)位和穩(wěn)定運(yùn)行非常關(guān)鍵。

低頻晶體/時鐘

低頻晶體/時鐘方面，低頻晶體振蕩器（LFXT）的頻率為 32768Hz，占空比為 30% 至 70%，振蕩允許范圍為 419kΩ 等。這些參數(shù)對于設(shè)備的時鐘系統(tǒng)設(shè)計和穩(wěn)定性至關(guān)重要。

閃存特性

閃存特性包括擦除和編程操作時的電源電流、擦除/編程循環(huán)耐久性、數(shù)據(jù)保留時間等。例如，擦除和編程操作時的電源電流增量最大為 10mA，擦除/編程循環(huán)耐久性為 10k 周期，不同溫度下的數(shù)據(jù)保留時間也有所不同。這些特性對于設(shè)備的存儲功能和數(shù)據(jù)可靠性有重要影響。

詳細(xì)描述：深入了解工作模式

概述

電子系統(tǒng)如 CPU、DSP、微控制器、FPGA 和 ASIC 等通常需要多個電壓軌，并且需要精確的上電和下電順序才能正常工作。UCD91160 能夠?qū)Χ噙_(dá) 16 個電壓軌進(jìn)行定序和監(jiān)控，通過 PMBus 接口報告系統(tǒng)健康信息。它還能對電源系統(tǒng)故障做出預(yù)配置的響應(yīng)，保護(hù)電子系統(tǒng)。在故障發(fā)生時，黑匣子故障日志會立即存儲全面的系統(tǒng)狀態(tài)報告，后續(xù)的故障日志則存儲在非易失性存儲器中。

功能框圖

從功能框圖可以看出，UCD91160 具備多種功能模塊，包括 SWD 或 PMBus 編程接口、I2C / PMBus 通信接口、數(shù)字 I/O 和監(jiān)控接口、定序引擎、可配置狀態(tài)機(jī)等。這些模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對電壓軌的精確控制和管理。

特性描述

TI 測序儀工作室軟件

TI 測序儀工作室軟件通過 PMBus 接口與設(shè)備通信，使設(shè)計工程師無需學(xué)習(xí)底層 PMBus 命令即可配置應(yīng)用的運(yùn)行參數(shù)。軟件將配置保存到片上非易失性存儲器中，并可在調(diào)試過程中觀察系統(tǒng)狀態(tài)。配置完成后，設(shè)備在啟動時可獨(dú)立運(yùn)行。

PMBus 接口

PMBus 是專門為支持電源管理而設(shè)計的串行接口，基于 SMBus 接口，UCD91160 支持 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的 1.3 版本。標(biāo)準(zhǔn) PMBus 接口命令支持設(shè)備的基本功能，獨(dú)特的功能則通過 MFR_SPECIFIC 命令進(jìn)行配置或激活。

PMBus 安全

UCD91160 保持 PMBus 安全級別 0，并支持自定義命令啟用高達(dá) PMBus 安全級別 2 的功能。為符合 PMBus 安全級別 0，設(shè)備支持 PASSKEY 命令和 ACCESS_CONTROL 命令。

設(shè)備功能模式

黑匣子首次故障記錄

系統(tǒng)故障事件中的首次故障對于診斷根本原因至關(guān)重要。當(dāng) UCD91160 檢測到初始故障時，會將每個軌的狀態(tài)記錄并保存在 NVM 的特殊區(qū)域（黑匣子）中。后續(xù)故障和監(jiān)控狀態(tài)則記錄在標(biāo)準(zhǔn)故障日志中，BOR 電壓越過時的最后一次故障日志也會保存到黑匣子故障日志中。在收集另一個黑匣子故障日志之前，必須通過 PMBus 命令清除黑匣子故障日志。

PMBus 地址選擇

通過三個數(shù)字輸入引腳可以選擇 PMBus 地址，不同的引腳電平組合對應(yīng)不同的地址。

欠壓事件

當(dāng) VDD 引腳電壓低于欠壓閾值電壓（VBOR）時，UCD91160 會觸發(fā)欠壓事件。在欠壓事件期間，設(shè)備會繼續(xù)將欠壓事件之前發(fā)生的故障日志寫入 NVM。當(dāng) VDD 引腳電壓低于關(guān)機(jī)閾值電壓（VSHDN）時，設(shè)備會完全關(guān)機(jī)，未寫入 NVM 的故障事件將丟失。為了保存首次故障日志，用戶需要提供足夠的本地電容，以確保 VDD 軌在 500μs（或帶有黑匣子故障日志時為 4.5ms）內(nèi)保持高于 VSHDN。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)：設(shè)計要點(diǎn)與步驟

應(yīng)用信息

UCD91160 可用于對多達(dá) 16 個電壓軌進(jìn)行定序和監(jiān)控，對多達(dá) 8 個電壓軌進(jìn)行裕量調(diào)節(jié)。通過級聯(lián)最多 4 個 UCD91160 設(shè)備，用戶可以監(jiān)控多達(dá) 64 個軌，并記錄同步故障響應(yīng)。典型應(yīng)用包括自動測試設(shè)備、電信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器和存儲系統(tǒng)等。用戶可以使用 TI 提供的 Sequencer Studio 軟件進(jìn)行設(shè)備配置，無需具備編碼技能。

典型應(yīng)用

在典型應(yīng)用中，UCD91160 可以管理多個電壓軌，通過 ENx 引腳控制調(diào)節(jié)器的使能，通過 MONx 引腳監(jiān)測電壓軌的狀態(tài)，通過 MARx 引腳進(jìn)行裕量調(diào)節(jié)。同時，它還可以與其他設(shè)備進(jìn)行級聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電源管理功能。

設(shè)計要求

UCD91160 需要在 VDD、BPCAP 和 VREF+ 引腳處使用去耦電容，電容值在電氣特性中有明確規(guī)定。如果應(yīng)用中不使用 nRESET 信號，nRESET 引腳必須連接到 VDD，可以通過直接連接或 R-C 電路實(shí)現(xiàn)。模擬監(jiān)測引腳能夠監(jiān)測 0V 至 3.3V 的電壓軌，輸入不應(yīng)超出此范圍。在設(shè)備編程期間，VDD 電源必須穩(wěn)定，避免觸發(fā)設(shè)備復(fù)位，否則可能導(dǎo)致配置損壞。TI 建議在 VDD 和 VSS 引腳之間連接 10μF 和 0.1μF 的低 ESR 陶瓷去耦電容，并將電容盡可能靠近電源引腳放置。BPCAP 引腳需要連接 0.47μF 的儲能電容，并盡可能靠近設(shè)備放置，且不要連接其他電路。

詳細(xì)設(shè)計步驟

使用 Sequencer Studio 軟件可以在線或離線設(shè)計設(shè)備配置。離線模式下，軟件會提示用戶創(chuàng)建或打開項(xiàng)目文件（.xml）；在線模式下，軟件會通過 PMBus 接口自動檢測設(shè)備并提取配置數(shù)據(jù)。設(shè)計步驟包括軌設(shè)置、軌監(jiān)測配置、GPI 配置、軌定序配置、故障響應(yīng)配置、GPO 配置、裕量調(diào)節(jié)配置以及其他配置，如引腳選擇的軌狀態(tài)、看門狗定時器和系統(tǒng)復(fù)位等。完成配置后，點(diǎn)擊“Write to Hardware”應(yīng)用更改，在線模式下還需點(diǎn)擊“Store RAM to Flash”將新配置永久存儲到設(shè)備的數(shù)據(jù)閃存中。

應(yīng)用曲線

通過應(yīng)用曲線可以直觀地了解設(shè)備在啟動和關(guān)機(jī)過程中的波形，例如不同軌的使能信號在不同延遲時間下的變化情況。這些曲線對于調(diào)試和優(yōu)化系統(tǒng)性能非常有幫助。

電源供應(yīng)建議

UCD91160 由 3.3V 電源供電。如果使用內(nèi)部參考，VDD 作為 ADC 參考，應(yīng)確保其電壓精確為 3.3V，因?yàn)槿魏屋斎腚妷浩疃紩?ADC 參考誤差和 ADC 結(jié)果誤差。因此，3.3V 電源必須嚴(yán)格調(diào)節(jié)，允許的電壓波動非常小。如果使用外部參考（VREF+），3.3V 電源只需滿足電氣特性中規(guī)定的最低要求。

布局

布局指南

在布局方面，應(yīng)將去耦電容盡可能靠近設(shè)備放置，將 BPCAP 去耦電容盡可能靠近 BPCAP 引腳放置。由于裕量引腳（MARx）輸出的 PWM 信號具有快速邊沿，應(yīng)將這些信號遠(yuǎn)離敏感的模擬信號進(jìn)行布線。

布局示例

UCD91160 采用 64 引腳 LQFP 封裝，如果設(shè)計要求將設(shè)備安裝在頂層，可以將去耦電容放置在底層，以便為頂層的走線留出空間。布局示例中還給出了一些重要的建議，如使用均勻的接地平面連接 VSS 和 VREF- 引腳，將 BPCAP 引腳連接到內(nèi)部層的公共銅區(qū)域等。

設(shè)備與文檔支持：保障使用體驗(yàn)

文檔更新通知

用戶可以通過訪問 ti.com 上的設(shè)備產(chǎn)品文件夾，點(diǎn)擊“Notifications”進(jìn)行注冊，以接收文檔更新的每周摘要。對于更改細(xì)節(jié)，可以查看修訂文檔中的修訂歷史。

支持資源

TI E2E? 支持論壇是工程師獲取快速、經(jīng)過驗(yàn)證的答案和設(shè)計幫助的重要來源。用戶可以搜索現(xiàn)有答案或提出自己的問題，以獲得所需的設(shè)計幫助。需要注意的是，鏈接內(nèi)容由各自的貢獻(xiàn)者提供，不構(gòu)成 TI 規(guī)格，也不一定反映 TI 的觀點(diǎn)。

商標(biāo)信息

PMBus? 是 SMIF, Inc. 的商標(biāo)，Sequencer Studio? 是 TI 的商標(biāo)，TI E2E? 是德州儀器的商標(biāo)，所有商標(biāo)均為其各自所有者的財產(chǎn)。

靜電放電注意事項(xiàng)

由于該集成電路可能會受到靜電放電（ESD）的損壞，德州儀器建議在處理所有集成電路時采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。不遵守正確的處理和安裝程序可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞，ESD 損壞的程度可能從細(xì)微的性能下降到設(shè)備完全故障不等。特別是精密集成電路，由于非常小的參數(shù)變化可能導(dǎo)致設(shè)備無法滿足其公布的規(guī)格，因此可能更容易受到損壞。

術(shù)語表

TI 術(shù)語表列出并解釋了相關(guān)的術(shù)語、首字母縮寫詞和定義，有助于用戶更好地理解文檔內(nèi)容。

總結(jié)

UCD91160 作為一款功能強(qiáng)大的 16 軌 PMBus 電源定序器和系統(tǒng)管理器，在電源管理領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢。它的多軌管理能力、靈活的配置選項(xiàng)、全面的故障監(jiān)測和處理功能以及豐富的軟件支持，使其能夠滿足各種復(fù)雜電子系統(tǒng)的電源管理需求。無論是在有線網(wǎng)絡(luò)、無線基礎(chǔ)設(shè)施還是數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域，UCD91160 都能發(fā)揮重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計要求和規(guī)格參數(shù)，合理選擇和使用該芯片，并注意布局、電源供應(yīng)等方面的設(shè)計要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用類似電源管理芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。