基于UCD9081的電源管理設(shè)計(jì)

徐宏祥

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

近年來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代電子器件具有復(fù)雜的供電要求，包括CPU、DSP、微控制器、FPGA 等的電子系統(tǒng)，需要多路電源供電以及特定的電源排序，系統(tǒng)才能正常可靠工作。

采用多電源供電的電子系統(tǒng)，由于多路電源同時(shí)開啟供電，可能造成電子器件不能可靠工作的問題，因此要求設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格關(guān)注供電順序[1]，確保每一路電源都必須按照指定順序開啟供電。此外，某些電子系統(tǒng)還需要記錄電源供電錯(cuò)誤日志功能，幫助設(shè)計(jì)人員診斷電子系統(tǒng)中的電源故障。

UCD9081 是美國德州儀器半導(dǎo)體公司（Texas Instruments，簡稱TI）生產(chǎn)的8 通道電源排序和監(jiān)視器，設(shè)計(jì)人員借助TI 易用型圖形用戶接口GUI，通過I2C 接口配置UCD9081，實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)多路電源供電的排序和管理。

2 UCD9081特性及工作原理

UCD9081 是一種8 通道電壓排序和監(jiān)視器，具有綜合非易失性錯(cuò)誤日志功能，可幫助設(shè)計(jì)人員診斷電子系統(tǒng)中的電源故障。

UCD9081 采用 32 管腳小型 VQFN 封裝，由3.3V 單電源供電，功耗低，可在擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍-40～+85℃工作。能夠?qū)? 個(gè)電壓軌進(jìn)行排序和監(jiān)視，提供3.2mV 電壓軌電壓采樣分辨力[2]，可選擇的內(nèi)部或外部電壓參考基準(zhǔn)，提供4 個(gè)可配置極性的通用數(shù)字輸出端口，提供靈活的干線電壓軌編程及欠壓和過壓門限電平，靈活的電壓監(jiān)視、電壓軌關(guān)斷和警報(bào)處理，錯(cuò)誤日志記錄存儲(chǔ)在內(nèi)部FLASH 存儲(chǔ)器中作為系統(tǒng)失效分析，設(shè)計(jì)人員可以通過I2C 接口配置UCD9081 并監(jiān)視電源系統(tǒng)狀態(tài)。

UCD9081 集成8 個(gè)排序軌，可大幅縮減板級(jí)空間，能夠滿足任何需要多電源軌排序與監(jiān)控功能的系統(tǒng)需求，包括電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通訊開關(guān)、測試設(shè)備、服務(wù)器以及工業(yè)系統(tǒng)等。

UCD9081 功能框圖如圖 1 所示。UCD9081 具有8 個(gè)監(jiān)視端口（MON1～MON8）、8 個(gè)使能端口（EN1～EN8）以及 4 個(gè)通用數(shù)字輸出端口（GPO1～GPO4）。通過8 個(gè)監(jiān)視端口可以監(jiān)視多達(dá)8 個(gè)電壓軌，通過8 個(gè)使能端口可以控制8 路電壓源進(jìn)行排序，還可以通過4 個(gè)通用數(shù)字輸出端口實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍其它數(shù)字電路器件的控制。

圖1 UCD9081 功能框圖

UCD9081 有一套廣泛、功能強(qiáng)大的寄存器，而控制這些寄存器很簡單。設(shè)計(jì)人員借助TI 易用型圖形用戶界面GUI，使用I2C 接口配置UCD9081。圖形用戶界面GUI 主窗口如圖2 所示。

圖2 圖形用戶界面GUI 主窗口

UCD9081 的 I2C 接口支持位速率 100kbit/s，工作在從方式下與主機(jī)圖形用戶界面GUI 進(jìn)行I2C 通信。I2C 接口時(shí)序圖如圖3 所示。

圖3 I2C 接口時(shí)序圖

UCD9081 片內(nèi)具有512 字節(jié)FLASH 存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)電壓軌排序、電壓監(jiān)視以及警報(bào)處理等配置參數(shù)。此外，UCD9081 片內(nèi)還具有 128 字節(jié)FLASH 存儲(chǔ)區(qū)，可用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。

3 基于UCD9081的電源管理設(shè)計(jì)

如圖2 所示，圖形用戶界面GUI 可以在1 個(gè)簡便的界面中，顯示狀態(tài)寄存器和調(diào)試寄存器中的所有信息。GUI 通過I2C 接口與UCD9081 通信，配置UCD9081 只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)即可。UCD9081 可以對(duì)8 個(gè)電壓軌進(jìn)行排序和監(jiān)視，圖形用戶界面GUI 電壓軌配置窗口如圖4 所示。

圖4 圖形用戶界面GUI 電壓軌配置窗口

圖形用戶界面GUI 電壓軌配置窗口將設(shè)置值保存在計(jì)算機(jī)上，并可將設(shè)置值傳送到UCD9081 的FLASH 存儲(chǔ)器中，這讓配置UCD9081 變得簡單。圖形用戶界面GUI 還將顯示系統(tǒng)故障的所有調(diào)試信息，顯示任一電源在何時(shí)出現(xiàn)了過壓或欠壓，或某個(gè)電源是否未能成功完成排序。發(fā)生故障后，進(jìn)行錯(cuò)誤日志記錄和警報(bào)處理，GUI 允許控制系統(tǒng)復(fù)位重啟。在設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，及啟動(dòng)、配置、調(diào)試和運(yùn)行階段，圖形用戶界面GUI 是系統(tǒng)性能不可或缺的窗口。

一般情況下，應(yīng)用系統(tǒng)電源運(yùn)行周期有3 個(gè)運(yùn)行步驟：加電排序、監(jiān)視和斷電排序[3]。UCD9081 通過編程配置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電源運(yùn)行周期的3 個(gè)運(yùn)行步驟。在加電排序時(shí)，每個(gè)電源都必須等待，然后在指定的時(shí)間內(nèi)加電到正確的電壓。在監(jiān)視階段，每個(gè)電源都必須保持在指定的過壓和欠壓限制之內(nèi)。在斷電排序時(shí)，每個(gè)電源都必須等待（順序常常與加電排序順序不同），然后在設(shè)定時(shí)間內(nèi)斷電。

如果應(yīng)用系統(tǒng)不進(jìn)行電源管理設(shè)計(jì)，電源運(yùn)行在任意時(shí)刻都有可能出錯(cuò)，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

在某自動(dòng)修調(diào)應(yīng)用電路系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的基于UCD9081 的電源管理電路圖如圖5 所示。其中UCD9081 控制多路電源穩(wěn)壓器件使能端，開啟或關(guān)斷各路電源電壓軌，管理電路系統(tǒng)中微控制器MCU、FPGA 等器件供電排序。

圖5 UCD9081 電源管理電路圖

在圖5 所示的應(yīng)用電路系統(tǒng)中，MCU 作為系統(tǒng)的主控器件[4-5]，F(xiàn)PGA 作為系統(tǒng)的協(xié)處理器件，設(shè)計(jì)中須考慮應(yīng)用電路系統(tǒng)中各器件的供電排序。系統(tǒng)中主控器件MCU 由電源VDD 單電源供電[6]，協(xié)處理器件FPGA 采用內(nèi)核電源VINT 和IO 電源VIO雙電源供電[7-9]。

UCD9081 的 3 個(gè)使能端口（EN1～EN3）對(duì)應(yīng)控制 3 個(gè)電源穩(wěn)壓器件，3 個(gè)監(jiān)視端口（MON1 ～MON3）也對(duì)應(yīng)監(jiān)視3 個(gè)電源穩(wěn)壓器件的輸出電壓VOUT1～VOUT3，其中輸出電壓 VOUT1 給主控器件MCU 電源VDD 供電，VOUT2 給協(xié)處理器件 FPGA內(nèi)核電源 VINT 供電，VOUT3 給 FPGA 的 IO 電源VIO 供電。

加電過程中，主控器件MCU 電源VDD 最先供電，待其初始化程序運(yùn)行完成后，再為系統(tǒng)中的協(xié)處理器件FPGA 和其它器件供電。一般要求FPGA 內(nèi)核電源先于IO 電源加電，因此系統(tǒng)接著給FPGA 內(nèi)核電源VINT 供電，延遲一段時(shí)間后，再給IO 電源VIO 供電。

斷電過程與加電過程相反，先給FPGA 的IO 電源VIO 斷電，接著給FPGA 內(nèi)核電源VINT 斷電，最后給MCU 電源VDD 斷電。

在圖5 所示的應(yīng)用電路系統(tǒng)中，按照上述預(yù)定的供電順序，UCD9081 的 3 個(gè)使能端口（EN1～EN3）控制3 個(gè)電源穩(wěn)壓器件，開啟或關(guān)斷3 個(gè)電源電壓軌VOUT1～VOUT3，系統(tǒng)中3 個(gè)電源穩(wěn)壓器件EN使能端低電平有效。

按照?qǐng)D4 所示的圖形用戶界面GUI 電壓軌配置窗口，分別配置3 個(gè)電壓軌Rail1～Rail3 的相關(guān)參數(shù)，按照設(shè)定的加電過程，先給主控器件MCU 電源VDD 供電，待延遲20ms 后，接著給協(xié)處理器件FPGA 內(nèi)核電源VINT 供電，再延遲10ms，最后給IO電源VIO 供電。

系統(tǒng)重新加電后，應(yīng)用示波器采集UCD9081 的3 個(gè)使能端口（EN1～EN3），電源排序波形圖如圖 6所示，從上到下3 個(gè)EN 使能端口電壓波形，依次代表3 個(gè)電壓軌Rail1～Rail3 加電波形。在該應(yīng)用電路系統(tǒng)中，UCD9081 通過控制各電源穩(wěn)壓器件EN 使能端，開啟或關(guān)斷各路電源電壓軌。UCD9081 按照?qǐng)D6 所示排序順序逐一加電，使每路電源依次啟動(dòng)，并進(jìn)行監(jiān)視，以確保電源電壓在指定時(shí)間之前上升至高于所設(shè)定的門限。任何電源，若未能滿足設(shè)定的時(shí)間要求，都會(huì)觸發(fā)排序故障。當(dāng)最后一個(gè)電壓軌加電并跨過其欠壓門限后，監(jiān)視階段立即開始。

圖6 電源排序波形圖

在監(jiān)視階段，UCD9081 運(yùn)用其高準(zhǔn)確度的比較器連續(xù)監(jiān)視每個(gè)輸入的電壓，看其是否超越過壓和欠壓門限。當(dāng)UCD9081 檢測到故障時(shí)，會(huì)按照設(shè)定的監(jiān)視器故障響應(yīng)行為，立即作出響應(yīng)。在典型情況下，UCD9081 同時(shí)關(guān)斷所有電源，控制系統(tǒng)復(fù)位，然后嘗試按照正常啟動(dòng)順序重新加電。這樣可以防止電源給系統(tǒng)的一部分供電而其他部分得不到供電，或者防止系統(tǒng)在故障后執(zhí)行不一致的故障恢復(fù)。UCD9081 提供多種可編程故障響應(yīng)行為，以滿足多種不同的系統(tǒng)配置需求。

在斷電排序時(shí)，所有斷電排序參數(shù)都不受加電排序參數(shù)影響，電壓軌可以按照任何順序斷電排序，每個(gè)電源必須在指定的時(shí)間限制之內(nèi)下降至低于其放電門限，否則會(huì)觸發(fā)排序故障。

UCD9081 可以方便地對(duì)電路系統(tǒng)中MCU、FPGA 等器件供電進(jìn)行管理，并通過I2C 接口配置UCD9081，由圖形用戶界面GUI 監(jiān)視電源系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)配置系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可視化并調(diào)試系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

UCD9081 不僅簡化了電源系統(tǒng)的排序和監(jiān)視，還使得僅需占用非常小的電路板空間就可構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，解決了當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的復(fù)雜問題。UCD9081 非常靈活，可重新配置，通過內(nèi)部FLASH 存儲(chǔ)器即可獨(dú)立自主運(yùn)行，而且還可與大型復(fù)雜系統(tǒng)中的其他芯片一起使用，無縫協(xié)調(diào)管理更多個(gè)電源的運(yùn)行，從而節(jié)省電路板空間，降低成本，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間。