ADM1169：多电源系统的监控与排序解决方案

在电子工程师的日常工作中，多电源系统的监控与排序是一个关键且复杂的问题。今天要为大家介绍的Analog Devices的ADM1169 Super Sequencer®，就是一款能够为多电源系统提供全面且灵活解决方案的芯片。

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芯片概述

ADM1169是一款可配置的监控/排序设备，能够为多达8个电源提供监控和排序功能。它集成了12位ADC和四个8位电压输出DAC，可实现闭环裕量调节系统，通过改变DC - DC转换器的反馈节点或参考电压来调整电源。同时，它还具备非易失性黑匣子故障记录功能，能记录多达16个事件的故障信息，为系统故障排查提供有力支持。

主要特性

1. 全面的电源监控与排序：可监控多达8个电源，精度在25°C时可达<0.5%，在全电压和温度范围内可达<1.0%。4个可选输入衰减器允许对高达14.4 V（VH）和6 V（VP1 - VP3）的电源进行监控。
2. 灵活的输入输出配置：4个双功能输入（VX1 - VX4），既可以作为电源故障检测器，也可以作为通用逻辑输入；8个可编程驱动输出（PDO1 - PDO8），支持多种输出模式，如开集电极、推挽输出等，其中PDO1 - PDO6还支持内部电荷泵高驱动，可直接驱动外部NFET。
3. 闭环裕量调节：4个8位DAC（0.300 V - 1.551 V）用于电压调节，12位ADC用于所有监控电压的回读，可实现精确的电源裕量调节。
4. 强大的排序引擎：基于状态机控制，提供多达63种不同状态，可实现复杂的电源上电和下电序列控制、故障事件处理以及警告中断生成。
5. 非易失性故障记录：16事件深度的黑匣子非易失性故障记录功能，可记录系统故障时的详细信息。
6. 标准接口：采用行业标准的2线总线接口（SMBus），方便与其他设备通信和配置。

电源供电

ADM1169由VPx或VH中最高的电压输入供电，这种方式提高了设备的冗余性，因为设备不依赖于任何特定的电压轨。VDD仲裁器会选择合适的电源，仲裁器可看作四个低压差稳压器（LDO）的“或”操作。同时，为了减少噪声，需要在VDDCAP引脚与地之间连接一个外部电容，推荐值为10 μF，该电容在电源短时中断时还能作为储能电容，保持设备正常工作。

当使用12 V背板电源为ADM1169供电时，如果涉及热插拔操作，建议采取适当的保护措施，如使用热插拔控制器或RC滤波网络，以防止瞬态电压对设备造成损坏。另外，当多个电源电压相差在100 mV以内时，首先控制VDD的电源将保持控制。

输入功能

电源故障检测

ADM1169有8个可编程输入，其中4个为专用电源故障检测器（SFDs），分别为VH和VPx（VP1 - VP3），另外4个输入（VX1 - VX4）具有双功能，既可以作为SFDs，也可以作为CMOS/TTL兼容的逻辑输入。这些输入可以配置为检测欠压故障、过压故障或窗口外故障，阈值可通过8位分辨率进行编程。

阈值计算

阈值电压的计算公式为 (V_T = (V_R × N) / 255 + V_B)，其中 (V_T) 是所需的阈值电压，(V_R) 是电压范围，N是8位代码的十进制值，(V_B) 是范围的下限。通过这个公式，我们可以根据需要设置不同的阈值。

输入比较器迟滞

为了避免输入接近阈值时的抖动，UV和OV比较器具有数字可编程迟滞功能。迟滞值的计算公式为 (V_{HYST} = VR × N{THRESH} / 255)，其中 (N_{THRESH}) 是5位迟滞代码的十进制值，最大值为31。

输入毛刺滤波

SFDs的最后一级是毛刺滤波器，可对比较器输出进行时域滤波，去除电源开启时的杂散过渡信号。毛刺滤波器的超时时间可编程，最长可达100 μs。

VXx输入的特殊功能

当VXx输入作为数字输入时，其模拟功能可作为VPx和VH上的第二个检测器，用于指示警告级别。例如，当VP1的3.3 V电源下降到3.0 V时输出故障，VX1可以设置为在3.1 V时输出警告，警告输出可从状态寄存器中读取，并可触发中断。

输出功能

电源排序

ADM1169通过可编程驱动输出（PDOs）实现电源排序，这些输出可以作为逻辑使能或FET驱动器。排序引擎（SE）根据设备输入的状态控制PDOs的断言顺序，从而控制电源的开启和关闭。

PDO输出配置

PDOs可以编程为多种上拉选项，如开漏、带弱上拉到VDD或VPx、带强上拉到VDD或VPx、强下拉到地以及内部电荷泵高驱动（仅PDO1 - PDO6）。数据驱动PDOs的来源有三个：排序引擎输出、直接来自SMBus和片上时钟。

默认输出配置

未编程的ADM1169设备的所有内部寄存器初始值为0，PDOx引脚通过一个弱（20 kΩ）的片上下拉电阻拉到地。在电源上电过程中，PDOs的状态会根据输入电源电压的变化而变化，提供了一个已知的上电状态。

排序引擎

概述

排序引擎（SE）是ADM1169的逻辑核心，它基于状态机控制PDO输出，状态变化取决于输入事件。SE程序可以实现复杂的板级控制，如电源上电和下电序列控制、故障事件处理和警告中断生成，还可以集成看门狗功能。

状态机结构

SE状态机由63个状态单元组成，每个状态具有以下属性：

• 监控8个输入引脚的状态信号。
• 可以从任何其他状态进入。
• 有三个退出路径：序列检测、故障监控和超时。
• 序列和超时块的延迟定时器可以独立编程，并随状态变化而改变，超时范围从0 ms到400 ms。
• 定义并固定8个PDO引脚在该状态下的输出条件。
• 状态转换时间小于20 μs。
• 可以触发将黑匣子故障和状态寄存器写入EEPROM的黑匣子部分。

应用示例

以一个三电源系统的上电序列为例，当VP1引脚有良好的5 V电源且VX1引脚保持低电平时，启动上电序列。首先开启3.3 V电源，然后开启2.5 V电源（假设3.3 V电源成功开启）。当三个电源都正确开启后，进入PWRGD状态，直到某个电源出现故障或接收到下电指令。在这个过程中，序列检测器、监控故障检测器和超时检测器会协同工作，确保电源的正常开启和故障处理。

故障与状态报告

ADM1169有一个故障锁存器用于记录故障，两个寄存器（FSTAT1和FSTAT2）专门用于此目的。每个输入分配一个单独的位，当该输入发生故障时，相应的位会被置位。通过SMBus可以读取故障寄存器的内容，以确定哪个输入发生了故障。故障寄存器可以在每个状态下启用或禁用，以确保只捕获真正的故障。

此外，ADM1169还有多个状态寄存器，提供更详细的信息，如特定输入是否存在欠压或过压故障、ADC限制故障等。这些寄存器分为两组，一组不锁存，可随时响应输入变化；另一组在序列引擎状态改变时更新，并锁存直到下一次状态改变。

非易失性黑匣子故障记录

记录方式

EEPROM的一部分（地址从0xF900到0xF9FF）默认可用于存储用户定义的设置和信息，其中地址从0xF980到0xF9FF可用于存储多达16个故障记录。任何排序引擎状态都可以指定为黑匣子写入状态，当排序引擎进入该状态时，会将故障记录写入EEPROM。

记录内容

每个故障记录包含以下信息：

• 写入故障记录后设置为0的标志位。
• 故障记录写入状态之前的前一个状态的状态号。
• 导致前一个状态退出的是序列、超时还是监控条件。
• UVSTATx和OVSTATx输入比较器状态。
• VXx GPISTAT状态。
• LIMSTATx状态。
• 校验和字节。

注意事项

故障记录器只能写入EEPROM，不能在写入之前擦除EEPROM。因此，在使用前必须擦除故障记录EEPROM，以确保正确操作。当所有故障记录的EEPROM位置都被使用后，将不再写入新的故障记录，确保第一个故障不会被覆盖。为了避免故障记录器填满和故障记录丢失，应用程序可以定期轮询ADM1169，或者使用一个PDO输出为处理器生成中断信号，提示有故障记录需要读取。读取故障记录后，需要先擦除EEPROM部分，然后重置故障记录器，以便再次使用。

电压回读

ADM1169配备了一个板载12位高精度ADC，用于通过SMBus进行电压回读。ADC前端有一个8通道模拟多路复用器，可选择读取VH、VPx和VXx等8个SFD输入。ADC可以对单端输入进行采样，输入电压与输出代码呈线性关系。电压计算公式为 (V = (ADCCode / 4095) × 衰减因子 × V{REFIN})，其中 (V{REFIN}) 为2.048 V（当使用内部参考时）。

此外，ADC还提供了另一种电源监控功能，用户可以通过设置限制寄存器来编程最大或最小允许阈值，超过阈值会生成警告信号，可从状态寄存器读取或输入到SE中进行相应的排序操作。但需要注意的是，由于ADC转换时间的限制，这种监控方式不如SFDs实时性强。

电源裕量调节

概述

在系统设计中，调节电源以优化其电平或使其偏离标称值来表征系统性能是很常见的需求。ADM1169提供了开环和闭环两种电源裕量调节方法。

开环裕量调节

开环裕量调节是一种简单的方法，通过将额外的电阻切换到电源模块（如DC - DC转换器或低压差稳压器）的反馈节点，改变反馈或调节节点的电压，从而使输出电压上升或下降一定量。ADM1169的四个板载电压DAC（DAC1 - DAC4）可以驱动到要调节的电源模块的反馈引脚，通过调节DAC输出电压来控制电源输出。

闭环裕量调节

闭环裕量调节是一种更精确和全面的方法。ADM1169通过12位逐次逼近ADC读取要调节的电源电压，并结合六个电压输出DAC来调整电源电平。通过不断比较和调整，可将任何DC - DC转换器或LDO电源设置为目标电压，精度可达±0.5%。实现闭环裕量调节的步骤包括禁用DAC输出、设置DAC输出电压等于反馈节点电压、启用DAC、读取电源输出电压、根据需要调整DAC输出代码，直到达到目标电压。

DAC设置

ADM1169提供四个DAC范围，可将中码（代码0x7F）设置在0.6 V、0.8 V、1.0 V和1.25 V，以对应最常见的反馈电压。DAC输出电压由写入DACx寄存器的代码决定，计算公式为 (DAC Output = (DACx - 0x7F) / 255 × 0.6015 + V{OFF})，其中 (V{OFF}) 是四个偏移电压之一。

衰减电阻选择

衰减电阻R3的大小决定了DAC电压摆幅对要调节的DC - DC转换器输出电压的影响程度。根据公式 (Delta V{OUT} = (R1 / R3) × (V{FB} - V_{DACOUT}))，可以选择合适的衰减电阻，以充分利用DAC的分辨率。

安全特性

为了防止固件错误导致电源超出允许的输出范围，ADM1169提供了限制寄存器（DPLIMx和DNLIMx），对写入DACx寄存器的代码进行限制。如果DNLIMx > DPLIMx，DAC输出缓冲器将被三态化，从而提高系统的安全性。

通信与配置

上电配置下载

ADM1169的配置由RAM中的内容决定，RAM由数字锁存器组成，这些锁存器是双缓冲的，有两个相同的锁存器（Latch A和Latch B）。在电源上电时，需要从EEPROM（非易失性存储器）下载配置到本地锁存器，具体步骤包括：无电源时PDOs为高阻抗；输入电压达到1.2 V时，PDOs通过20 kΩ电阻弱拉到地；电源超过欠压锁定（UVLO为2.5 V）时，EEPROM开始下载到RAM；先下载到Latch A，然后同时下载到Latch B；配置下载完成0.5 ms后，从EEPROM下载第一个状态定义到SE。

配置更新

上电后，用户可能需要更改ADM1169的配置，如更改SFD的欠压或过压限制、调整PDO的上升时间延迟等。ADM1169提供了三种更新配置的选项：实时更新、更新Latch A而不更新Latch B、更改EEPROM寄存器内容并下载到RAM。这些选项通过UPDCFG寄存器进行控制。

排序引擎更新

排序引擎（SE）有自己独立的512字节EEPROM用于存储状态定义。要更改状态，必须直接对EEPROM进行修改，因为每个状态没有对应的RAM。

内部寄存器

ADM1169包含大量数据寄存器，主要包括地址指针寄存器和配置寄存器。地址指针寄存器用于选择其他内部寄存器的地址，配置寄存器用于控制和配置ADM1169的各种操作参数。

EEPROM

ADM1169有两个512字节的非易失性EEPROM，分别用于存储配置数据、用户信息、故障记录和SE的状态定义。EEPROM可以通过串行总线进行读写操作，但写入前必须先擦除，且写入速度比写入RAM慢，写入周期有限，通常为10,000次写入操作。

串行总线接口

ADM1169通过串行系统管理总线（SMBus）进行控制，作为从设备连接到总线上。设备上电后约1 ms完成从EEPROM的下载，在此之前访问设备会返回无应答（NACK）。ADM1169有一个7位串行总线从地址，可通过A1和A0引脚设置，允许四个ADM1169设备连接到一个SMBus上。

SMBus协议

SMBus协议包括写操作和读操作，写操作有发送字节、写字节/字和块写三种协议，读操作有接收字节和块读两种协议。此外，ADM1169还提供了数据包错误检查（PEC）字节选项，用于验证数据的正确性。

总结

ADM1169是一款功能强大、灵活且全面的多电源系统监控与排序解决方案。它不仅提供了精确的电源监控、灵活的排序控制和全面的故障记录功能，还具备方便的通信接口和多种配置选项。无论是在中央办公系统、服务器/路由器、多电压系统线卡还是DSP/FPGA电源排序等应用中，ADM1169都能发挥重要作用。

各位电子工程师在实际项目中遇到多电源系统监控与排序问题时，可以考虑ADM1169这款芯片，相信它会为你的设计带来便利和可靠的保障。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。