基于UCD9081的电源管理设计

徐宏祥

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

近年来，随着电子技术的不断发展，现代电子器件具有复杂的供电要求，包括CPU、DSP、微控制器、FPGA 等的电子系统，需要多路电源供电以及特定的电源排序，系统才能正常可靠工作。

采用多电源供电的电子系统，由于多路电源同时开启供电，可能造成电子器件不能可靠工作的问题，因此要求设计人员严格关注供电顺序[1]，确保每一路电源都必须按照指定顺序开启供电。此外，某些电子系统还需要记录电源供电错误日志功能，帮助设计人员诊断电子系统中的电源故障。

UCD9081 是美国德州仪器半导体公司（Texas Instruments，简称TI）生产的8 通道电源排序和监视器，设计人员借助TI 易用型图形用户接口GUI，通过I2C 接口配置UCD9081，实现电子系统多路电源供电的排序和管理。

2 UCD9081特性及工作原理

UCD9081 是一种8 通道电压排序和监视器，具有综合非易失性错误日志功能，可帮助设计人员诊断电子系统中的电源故障。

UCD9081 采用 32 管脚小型 VQFN 封装，由3.3V 单电源供电，功耗低，可在扩展工业温度范围-40～+85℃工作。能够对8 个电压轨进行排序和监视，提供3.2mV 电压轨电压采样分辨力[2]，可选择的内部或外部电压参考基准，提供4 个可配置极性的通用数字输出端口，提供灵活的干线电压轨编程及欠压和过压门限电平，灵活的电压监视、电压轨关断和警报处理，错误日志记录存储在内部FLASH 存储器中作为系统失效分析，设计人员可以通过I2C 接口配置UCD9081 并监视电源系统状态。

UCD9081 集成8 个排序轨，可大幅缩减板级空间，能够满足任何需要多电源轨排序与监控功能的系统需求，包括电信网络设备、通讯开关、测试设备、服务器以及工业系统等。

UCD9081 功能框图如图 1 所示。UCD9081 具有8 个监视端口（MON1～MON8）、8 个使能端口（EN1～EN8）以及 4 个通用数字输出端口（GPO1～GPO4）。通过8 个监视端口可以监视多达8 个电压轨，通过8 个使能端口可以控制8 路电压源进行排序，还可以通过4 个通用数字输出端口实现对外围其它数字电路器件的控制。

图1 UCD9081 功能框图

UCD9081 有一套广泛、功能强大的寄存器，而控制这些寄存器很简单。设计人员借助TI 易用型图形用户界面GUI，使用I2C 接口配置UCD9081。图形用户界面GUI 主窗口如图2 所示。

图2 图形用户界面GUI 主窗口

UCD9081 的 I2C 接口支持位速率 100kbit/s，工作在从方式下与主机图形用户界面GUI 进行I2C 通信。I2C 接口时序图如图3 所示。

图3 I2C 接口时序图

UCD9081 片内具有512 字节FLASH 存储区，用于存储电压轨排序、电压监视以及警报处理等配置参数。此外，UCD9081 片内还具有 128 字节FLASH 存储区，可用于存储用户数据。

3 基于UCD9081的电源管理设计

如图2 所示，图形用户界面GUI 可以在1 个简便的界面中，显示状态寄存器和调试寄存器中的所有信息。GUI 通过I2C 接口与UCD9081 通信，配置UCD9081 只需点击几下鼠标即可。UCD9081 可以对8 个电压轨进行排序和监视，图形用户界面GUI 电压轨配置窗口如图4 所示。

图4 图形用户界面GUI 电压轨配置窗口

图形用户界面GUI 电压轨配置窗口将设置值保存在计算机上，并可将设置值传送到UCD9081 的FLASH 存储器中，这让配置UCD9081 变得简单。图形用户界面GUI 还将显示系统故障的所有调试信息，显示任一电源在何时出现了过压或欠压，或某个电源是否未能成功完成排序。发生故障后，进行错误日志记录和警报处理，GUI 允许控制系统复位重启。在设计的每个阶段，及启动、配置、调试和运行阶段，图形用户界面GUI 是系统性能不可或缺的窗口。

一般情况下，应用系统电源运行周期有3 个运行步骤：加电排序、监视和断电排序[3]。UCD9081 通过编程配置相关参数，实现电源运行周期的3 个运行步骤。在加电排序时，每个电源都必须等待，然后在指定的时间内加电到正确的电压。在监视阶段，每个电源都必须保持在指定的过压和欠压限制之内。在断电排序时，每个电源都必须等待（顺序常常与加电排序顺序不同），然后在设定时间内断电。

如果应用系统不进行电源管理设计，电源运行在任意时刻都有可能出错，从而导致整个系统出现故障。

在某自动修调应用电路系统中，设计的基于UCD9081 的电源管理电路图如图5 所示。其中UCD9081 控制多路电源稳压器件使能端，开启或关断各路电源电压轨，管理电路系统中微控制器MCU、FPGA 等器件供电排序。

图5 UCD9081 电源管理电路图

在图5 所示的应用电路系统中，MCU 作为系统的主控器件[4-5]，FPGA 作为系统的协处理器件，设计中须考虑应用电路系统中各器件的供电排序。系统中主控器件MCU 由电源VDD 单电源供电[6]，协处理器件FPGA 采用内核电源VINT 和IO 电源VIO双电源供电[7-9]。

UCD9081 的 3 个使能端口（EN1～EN3）对应控制 3 个电源稳压器件，3 个监视端口（MON1 ～MON3）也对应监视3 个电源稳压器件的输出电压VOUT1～VOUT3，其中输出电压 VOUT1 给主控器件MCU 电源VDD 供电，VOUT2 给协处理器件 FPGA内核电源 VINT 供电，VOUT3 给 FPGA 的 IO 电源VIO 供电。

加电过程中，主控器件MCU 电源VDD 最先供电，待其初始化程序运行完成后，再为系统中的协处理器件FPGA 和其它器件供电。一般要求FPGA 内核电源先于IO 电源加电，因此系统接着给FPGA 内核电源VINT 供电，延迟一段时间后，再给IO 电源VIO 供电。

断电过程与加电过程相反，先给FPGA 的IO 电源VIO 断电，接着给FPGA 内核电源VINT 断电，最后给MCU 电源VDD 断电。

在图5 所示的应用电路系统中，按照上述预定的供电顺序，UCD9081 的 3 个使能端口（EN1～EN3）控制3 个电源稳压器件，开启或关断3 个电源电压轨VOUT1～VOUT3，系统中3 个电源稳压器件EN使能端低电平有效。

按照图4 所示的图形用户界面GUI 电压轨配置窗口，分别配置3 个电压轨Rail1～Rail3 的相关参数，按照设定的加电过程，先给主控器件MCU 电源VDD 供电，待延迟20ms 后，接着给协处理器件FPGA 内核电源VINT 供电，再延迟10ms，最后给IO电源VIO 供电。

系统重新加电后，应用示波器采集UCD9081 的3 个使能端口（EN1～EN3），电源排序波形图如图 6所示，从上到下3 个EN 使能端口电压波形，依次代表3 个电压轨Rail1～Rail3 加电波形。在该应用电路系统中，UCD9081 通过控制各电源稳压器件EN 使能端，开启或关断各路电源电压轨。UCD9081 按照图6 所示排序顺序逐一加电，使每路电源依次启动，并进行监视，以确保电源电压在指定时间之前上升至高于所设定的门限。任何电源，若未能满足设定的时间要求，都会触发排序故障。当最后一个电压轨加电并跨过其欠压门限后，监视阶段立即开始。

图6 电源排序波形图

在监视阶段，UCD9081 运用其高准确度的比较器连续监视每个输入的电压，看其是否超越过压和欠压门限。当UCD9081 检测到故障时，会按照设定的监视器故障响应行为，立即作出响应。在典型情况下，UCD9081 同时关断所有电源，控制系统复位，然后尝试按照正常启动顺序重新加电。这样可以防止电源给系统的一部分供电而其他部分得不到供电，或者防止系统在故障后执行不一致的故障恢复。UCD9081 提供多种可编程故障响应行为，以满足多种不同的系统配置需求。

在断电排序时，所有断电排序参数都不受加电排序参数影响，电压轨可以按照任何顺序断电排序，每个电源必须在指定的时间限制之内下降至低于其放电门限，否则会触发排序故障。

UCD9081 可以方便地对电路系统中MCU、FPGA 等器件供电进行管理，并通过I2C 接口配置UCD9081，由图形用户界面GUI 监视电源系统状态，实时配置系统，实现系统可视化并调试系统。

4 结束语

UCD9081 不仅简化了电源系统的排序和监视，还使得仅需占用非常小的电路板空间就可构成一个完整的系统，解决了当前系统设计人员面临的复杂问题。UCD9081 非常灵活，可重新配置，通过内部FLASH 存储器即可独立自主运行，而且还可与大型复杂系统中的其他芯片一起使用，无缝协调管理更多个电源的运行，从而节省电路板空间，降低成本，缩短系统设计时间。