12 輸出車用 PMIC 控制寄存器初探

RTQ5115-QA 是一顆通過了 AEC-Q100 Grade 2 認(rèn)證的車用 PMIC 即電源管理集成電路，其主體為 4 路 Buck 轉(zhuǎn)換器和 8 路線性穩(wěn)壓器，各 Buck 轉(zhuǎn)換器的負(fù)載能力分別為 2.4A/2A/1.6A/2A，線性穩(wěn)壓器的負(fù)載能力每個(gè)都是 300mA，應(yīng)用電路特別簡(jiǎn)單。

RTQ5115-QA 的集成度很高，下面是它的內(nèi)部電路框圖。

將各個(gè)轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)控制部分連接起來(lái)的是中間的一大塊邏輯控制電路和左下角的 State Machine，它們是各個(gè)轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)控制器之間的橋梁，也是整個(gè)芯片的控制中心。
RTQ5115-QA 支持直接加電啟動(dòng)或按鍵啟動(dòng)，能在系統(tǒng)需要時(shí)自主啟動(dòng)關(guān)機(jī)過程，遇到故障或收到按鍵信號(hào)時(shí)可主動(dòng)關(guān)機(jī)，還能實(shí)施自動(dòng)重啟操作，將各種情況下的需要都考慮到了.

RTQ5115-QA 具有 I2C 接口，它在 I2C 總線上的角色屬于 Slave，其開關(guān)機(jī)時(shí)序、各個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓、工作頻率、工作模式、是否進(jìn)行頻譜擴(kuò)展以及電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整和電壓改變的速度等等都可在來(lái)自 Master 即系統(tǒng)控制器的指令控制下進(jìn)行調(diào)整，其內(nèi)部掛在 I2C 總線上的各個(gè)寄存器便是各種控制指令的存儲(chǔ)位置。已經(jīng)調(diào)試成熟的寄存器參數(shù)可以備份保存于其內(nèi)部集成的可擦寫存儲(chǔ)器即 EEPROM 中，它們?cè)谛枰獣r(shí)又可以自動(dòng)重載進(jìn)入寄存器，將用戶設(shè)計(jì)好的工作狀態(tài)重現(xiàn)出來(lái)。

系統(tǒng)控制器將一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入 RTQ5115-QA 內(nèi)部地址為 m 的寄存器或?qū)?N 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入其內(nèi)部地址從 m 開始的 N 個(gè)寄存器的通訊過程如下圖所示：
 

圖中的 Slave Address 是 RTQ5115-QA 在 I2C 總線上的地址，它可由 SADDR 引腳選擇為 0110111（SADDR=1） 或 0111111 （SADDR=0），此地址將 RTQ5115-QA 與同時(shí)掛在 I2C 總線上的其它器件區(qū)別開來(lái)，使其不會(huì)對(duì)不相關(guān)的指令做出響應(yīng)。Register Address 和后面跟著的 Data 分別代表 RTQ5115-QA 內(nèi)部寄存器的地址和將要寫入其中的數(shù)據(jù)。
假如需要讀出 RTQ5115-QA 內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，相關(guān)的時(shí)序如下圖所示：
 

對(duì) RTQ5115-QA 來(lái)說，它的寄存器實(shí)在是太重要，是調(diào)節(jié)其性能、控制其工作的關(guān)鍵所在，所以下面就對(duì)其部分寄存器的參數(shù)進(jìn)行解讀，重點(diǎn)將會(huì)放在與 Buck 轉(zhuǎn)換器相關(guān)的部分，了解了它們，我們對(duì)器件特性的理解就可以得到深入，如何控制它的方法也明確了。
 

每個(gè)寄存器都有自己的地址，這是地址為 00（十六進(jìn)制）的寄存器信息，它有 8 個(gè)二進(jìn)制位，分別以 7~0 的 8 個(gè)數(shù)字進(jìn)行位置標(biāo)識(shí)，其前半個(gè)字節(jié)的 4 個(gè)位 [7:4] 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是只能讀的固定數(shù) 1000，這是供應(yīng)商編碼，代表立锜。后半個(gè)字節(jié) [3:0] 的數(shù)據(jù)是 0111，為  RTQ5115-QA 的版本編號(hào)，我不知道它將來(lái)還會(huì)有多少個(gè)版本，也不知道改版時(shí)會(huì)不會(huì)改變這個(gè)數(shù)據(jù)，所以就暫且把它當(dāng)作是一個(gè)固定數(shù)來(lái)看待，如果你在未來(lái)的應(yīng)用中讀到了新的數(shù)據(jù)也用不著驚奇，因?yàn)橛泻芏嗥骷际菚?huì)不斷更新的。

寄存器 01、02 分別定義了 Buck1 和 Buck2 的兩個(gè)特性，一是輸出電壓，二是輸出電壓發(fā)生改變時(shí)的變化速度。從對(duì)可寫入?yún)?shù)的描述中可以看出這兩路轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍都是 0.7V~1.8V，步進(jìn)值為 25mV，所以在應(yīng)用中可以得到非常精細(xì)的輸出電壓設(shè)定。
當(dāng)把新的數(shù)據(jù)寫入 RTQ5115-QA 的寄存器以改變其輸出電壓時(shí)，其輸出從原有電壓改變到新的電壓的速度是可調(diào)的，此速度由上表中的 VRC 決定，其變化過程如下圖所示：

對(duì)于 Buck1 和 Buck2 而言，上圖所示的每一個(gè)小臺(tái)階的上升/下降幅度可以是上表所示的 25mV、50mV、100mV 或 200mV，水平方向的一段線所代表的時(shí)長(zhǎng)則為 10µs，兩者合起來(lái)就表達(dá)了電壓變化的速度，但是這種逐漸變化的設(shè)定是可以被禁止的，這在下圖所示的寄存器 05 的內(nèi)容里被呈現(xiàn)了出來(lái)：

當(dāng)寫入數(shù)據(jù)使寄存器 05 的 [7:4] 中的某個(gè)位被設(shè)定為 0 時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的 Buck 轉(zhuǎn)換器的電壓漸變功能便被取消了，若寫入數(shù)據(jù)為 1 則是使能該功能。禁止了電壓漸變功能的轉(zhuǎn)換器能以最快的速度從原有電壓改變到新的電壓，這樣做的壞處是可能會(huì)形成比較大的輸入端電流沖擊，所以你在選擇時(shí)要仔細(xì)權(quán)衡一下。
寄存器 03、04 分別定義了 Buck3 和 Buck4 的輸出電壓及其變化速度，它們的規(guī)格是一樣的，所以這里只展示其中一個(gè)的定義：

Buck3/4 的最高輸出電壓為 3.6V，最低輸出電壓與 Buck1/2 一樣都是 0.7V。由于 Buck3/4 擴(kuò)大了輸出電壓范圍，相應(yīng)的電壓步進(jìn)值擴(kuò)大到 50mV，電壓變化速度也加大了一倍。

寄存器 06 定義了每個(gè) Buck 轉(zhuǎn)換器的工作模式。如果需要得到比較高的輸出電壓調(diào)節(jié)精度，選擇 Force PWM 就是對(duì)的；如果需要得到比較高的輕載效率，選擇 Auto Mode 以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的 PSM/PWM 切換就是對(duì)的。該寄存器的低半字節(jié)定義了每個(gè) Buck 轉(zhuǎn)換器在關(guān)斷后對(duì)輸出端儲(chǔ)能的處理方式，一種是浮空模式 Floating，輸出電容里儲(chǔ)存的電能會(huì)自然變化，就看負(fù)載是如何吸收它的。另一種是主動(dòng)放電的模式，規(guī)格書沒有告訴我們這是如何實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際上就是在與輸出端連接的某個(gè)地方對(duì)地設(shè)置一個(gè)可控的 MOSFET 開關(guān)，它的導(dǎo)通電阻可以比較大，因?yàn)榉烹婋娏饕膊荒芴?，只要能夠在一段不太長(zhǎng)的時(shí)間里把輸出端電壓釋放到接近地電位的水平就可以了。

寄存器 12 用半個(gè)字節(jié)的空間作為各路 Buck 轉(zhuǎn)換器的使能控制位，只要將相應(yīng)控制位置為 1 或 0 便可容許或禁止與它對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀態(tài)，但在 MASK_GPIO 端子處于低電平時(shí)，外部使能控制端 ENB1/2/3/4 的優(yōu)先級(jí)就更高了，是否容許對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀態(tài)將由它們來(lái)決定（參見前面的開關(guān)機(jī)流程圖）。

寄存器 16 的內(nèi)容與欠壓保護(hù)有關(guān)，你可以用這里設(shè)定的數(shù)據(jù)來(lái)決定各個(gè)位置的欠壓狀況可否引起關(guān)機(jī)動(dòng)作，其中的 [7:4] 這 4 個(gè)位對(duì)應(yīng)的是 Buck1~4 的輸出欠壓事件，只要將某位設(shè)定為 1 便可在它對(duì)應(yīng)的 Buck 輸出端欠壓時(shí)容許啟動(dòng)關(guān)機(jī)進(jìn)程。
那么這些 Buck 轉(zhuǎn)換器的輸出欠壓的判斷標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？規(guī)格書沒有明確說明，但在下述寄存器的描述中可以找到這個(gè)指標(biāo)：
 

當(dāng)某個(gè) Buck 的輸出電壓低到額定電壓的 66% 時(shí)能否發(fā)出中斷信號(hào)？這個(gè)選擇的控制開關(guān)在寄存器 28 里。如果中斷已經(jīng)發(fā)生了，你可以在中斷服務(wù)程序里讀取寄存器 29 里的數(shù)據(jù)，只要其中的某個(gè)位為 1，與其對(duì)應(yīng)的事件就發(fā)生了。
 

寄存器 2C、2D 定義了整個(gè)芯片開機(jī)過程中各個(gè) Buck 轉(zhuǎn)換器所處的開機(jī)順序，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都使用了半個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù) 0000 代表不啟動(dòng)，0001 代表最先啟動(dòng)，1100 代表最后啟動(dòng)。由于 0001 和 1100 分別是十進(jìn)制數(shù) 1 和 12 的二進(jìn)制表達(dá)，而 4 個(gè) Buck 再加 8 個(gè)線性穩(wěn)壓器就是 12 個(gè)調(diào)節(jié)器，而那 8 個(gè)線性穩(wěn)壓器的啟動(dòng)順序也是用同樣方法來(lái)定義的，所以我們知道數(shù)字越小則越先啟動(dòng)，數(shù)字越大則越晚啟動(dòng)，到了關(guān)機(jī)的時(shí)候其順序就顛倒過來(lái)了，下圖便是我們可以看到的一個(gè)開/關(guān)機(jī)過程，請(qǐng)注意各個(gè)通道之間的時(shí)間順序關(guān)系：

上圖所示的開關(guān)機(jī)過程只是一個(gè)示例，你完全可以根據(jù)自己的需要來(lái)做設(shè)定。
時(shí)序設(shè)定中也有時(shí)間參數(shù)，但是本文不想寫得太長(zhǎng)，所以就暫時(shí)不涉及了，剩余的部分我們可以在以后再去解剖，喜歡自研的讀者可以自己去探索，這里所用的方法可供你參考。

寄存器 33 提示我們 RTQ5115-QA 調(diào)整工作頻率的方法大概是這樣的：它使用了一個(gè)電壓控制振蕩器 VCO 作為 Buck 轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘源，其輸入很可能是來(lái)自一個(gè)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器 DAC，這個(gè) DAC 的輸出電壓范圍為 0.375V~1.8V，這個(gè)電壓范圍對(duì)應(yīng)的 VCO 輸出頻率范圍為 500kHz~2MHz，而這個(gè) VCO 的輸入電壓即與之對(duì)應(yīng)的 DAC 的輸出電壓從一個(gè)值變化到另一個(gè)值的速度是可調(diào)的，你可以從 25mV/10µs、25mV/20µs、25mV/40µs 和 25mV/80µs 共 4 個(gè)選項(xiàng)中去選擇。這里提到的 DAC 應(yīng)該是不需要提及，因?yàn)橐?guī)格書在很多情況下都不需要告訴讀者它的實(shí)現(xiàn)方式，所以在規(guī)格書中被隱藏了，我為了自圓其說而假設(shè)了它的存在，你只需要把相關(guān)的數(shù)據(jù)寫入寄存器 33 便可實(shí)現(xiàn)以一定的頻率變化速度修改 Buck 工作頻率的目的。

RTQ5115-QA 的 Buck 轉(zhuǎn)換器是否需要工作在頻譜擴(kuò)展模式呢？這對(duì)車載設(shè)備來(lái)說是很有意義的，而寄存器 33 便是用來(lái)做選擇的地方。如果選擇是，Buck 轉(zhuǎn)換器在工作時(shí)的頻率就是不斷變化的，這樣便可將它們工作時(shí)輻射出去的能量擴(kuò)散到一個(gè)頻段里而不是在單個(gè)頻點(diǎn)集中，為降低電磁兼容處理難度帶來(lái)好處，希望它能為你的應(yīng)用帶來(lái)方便。
到這里，RTQ5115-QA 內(nèi)部與 Buck 轉(zhuǎn)換器相關(guān)的寄存器就已經(jīng)介紹完了，其他的部分我們下期可以再談。

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