深度剖析UCD90160：16轨电源管理的理想选择

在电子系统中，电源管理至关重要，尤其是对于那些拥有多个电压轨的复杂系统。德州仪器（TI）的UCD90160就是一款专门针对多轨电源管理设计的强大芯片。它不仅能对多达16个电压轨进行监控和排序，还具备丰富的功能，可显著提升系统的可靠性和稳定性。下面，让我们深入了解一下UCD90160的特性、应用以及设计要点。

文件下载：ucd90160.pdf

一、UCD90160特性概览

1. 多轨监控与排序

UCD90160能够对16个电压轨进行监控和排序，每400μs对所有轨进行一次采样。其内置的12位ADC搭配2.5V、0.5%的内部 (V_{REF}) ，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，还能对10个轨进行闭环裕量调节。

2. 非易失性错误和峰值记录

每个监控器都能进行非易失性错误和峰值记录，最多可记录12条故障详细信息，这对于故障分析和系统调试非常有帮助。

3. 灵活的数字I/O配置

26个GPIO引脚可用于电源使能、上电复位信号、外部中断、级联或其他系统功能，其中12个引脚还具备PWM功能。

4. 多相PWM时钟发生器

时钟频率范围从15.259kHz到125MHz，能够为开关模式电源提供同步的独立时钟输出。

5. 通信接口

支持JTAG和I2C/SMBus/PMBus™接口，方便与其他设备进行通信和配置。

二、应用领域

UCD90160广泛应用于多个领域，包括工业和ATE、电信和网络设备、服务器和存储系统等。凡是需要对多个电源轨进行排序和监控的系统，UCD90160都能发挥重要作用。

三、详细功能解析

1. 电源排序

UCD90160可以通过GPIO控制多达16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。

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，这对于实现系统低功耗模式和ACPI规范非常有用。

3. 电压监控

最多可监控16个电压，输入电压范围为0V - 2.5V（部分引脚可测量低至0.2V）。ADC连续运行，每个轨每400μs采样一次。MON1 - MON6还可配置数字硬件比较器，实现更快的故障响应。

4. 故障响应和警报处理

UCD90160会监控轨是否在正常运行范围内，当监测到电压超出警告或故障窗口时，会立即断言PMBALERT#引脚，并在PMBus状态寄存器中设置相应的位。同时，还提供了多种可编程的故障响应选项，如继续无中断运行、立即关闭、按延迟关闭等。

5. GPIO功能

22个GPIO引脚可作为输入或输出，每个GPIO都有可配置的输出模式选项。GPIO还可用于排序和警报处理，以及系统级功能，如外部中断、电源良好信号、复位等。

6. PWM输出

Pins 17 - 24可配置为快速脉冲宽度调制器（FPWMs），频率范围为15.260kHz到125MHz；Pins 31、32、41和42可作为GPIs或PWM输出，PWM1和PWM2有固定频率，PWM3和PWM4频率可在0.93Hz到7.8125MHz之间调节。

7. 裕量调节

支持开环和闭环裕量调节，可通过PMBus命令或配置GPIO引脚来控制。闭环裕量调节使用PWM或FPWM输出，通过外部RC网络将脉冲转换为DC裕量电压，以调整电源输出电压。

8. 系统复位信号

UCD90160可生成可编程的系统复位脉冲，该脉冲通过编程GPIO来实现，直到特定轨或轨组合达到其POWER_GOOD_ON电平加上可编程延迟时间。

9. 看门狗定时器

GPI和GPO可配置为看门狗定时器，可独立于电源排序或与作为看门狗输出的GPIO关联。看门狗定时器可通过切换WDI引脚或通过I2C写入SYSTEM_WATCHDOG_RESET来复位。

10. 运行时钟

运行时钟输出以毫秒和天为单位报告，值保存在非易失性存储器中。可用于记录故障时间戳，还可由主机进行校正和初始化。

11. 数据和错误记录

UCD90160可将最多18个故障和设备复位次数记录到闪存中，还会存储每个轨的峰值电压测量值。故障日志达到最大容量时，有三种处理设置可供选择。

12. 欠压功能

该功能可在检测到欠压事件时，将故障、峰值和其他日志数据保存到闪存中，同时保持运行时钟的连续性。

13. PMBus地址选择

通过两个引脚解码PMBus地址，根据引脚电压计算地址。需注意地址分配规则，避免使用不推荐的地址。

四、编程与配置

1. 设备配置和编程

UCD90160出厂时包含排序和监控固件，默认配置下所有GPO为高阻抗。用户可使用Fusion GUI设计配置文件，有三种编程选项：通过主机微控制器使用PMBus命令进行在线编程、使用Fusion GUI创建PMBus或I2C命令脚本文件、使用Fusion GUI创建数据闪存映像文件。

2. JTAG接口

JTAG端口可用于生产编程，四个JTAG引脚在正常运行时也可作为GPIOs。JTAG接口默认禁用，在特定条件下启用。

3. 内部故障管理和内存错误校正（ECC）

UCD90160在每次上电时验证固件校验和和设备配置校验和，若不匹配则采取相应措施。使用ECC提高数据完整性，可检测和纠正单比特错误。

五、应用与实现

1. 典型应用

UCD90160可用于对多达10个电压轨进行排序、监控和裕量调节，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。

2. 设计要求

在设计过程中，需要注意TRST和RESET引脚的电阻和电容配置，确保PMBus信号完整性，启用PEC以避免错误命令，保护故障日志的校验和，避免不推荐的配置，选择合适的编程方法，确保V33D电源稳定。

3. 详细设计步骤

使用Fusion GUI进行设计，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、裕量调节配置等。配置更改后，点击“Write to Hardware”按钮应用更改，在线模式下还需点击“Store RAM to Flash”按钮将配置永久存储到设备数据闪存中。

4. 应用曲线

通过示例电源开启和关闭序列曲线，可直观了解UCD90160的工作特性。

5. 估算ADC报告精度

可根据公式计算ADC报告误差，误差受ADC线性误差和 (V_{REF}) 变化的影响。

六、电源供应和布局建议

1. 电源供应

使用3.3V电源，上电时V33D必须以最小0.25V/ms的斜率从2.3V单调上升到2.9V。

2. 布局指南

将设备的暴露热焊盘连接到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，连接V33D、V33DIO1和V33DIO2到3.3V电源，V33A通过4.99Ω电阻连接到V33D。对于作为数字输出的GPIO信号，可进行阻抗控制，避免干扰敏感模拟信号。

UCD90160是一款功能强大的多轨电源管理芯片，通过合理的设计和配置，能够满足各种复杂系统的电源管理需求。在实际应用中，工程师们需要根据具体的系统要求，充分发挥UCD90160的优势，确保系统的可靠性和稳定性。你在使用UCD90160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。