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12 输出车用 PMIC 控制寄存器初探

发布时间:2021-04-15
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12 输出车用 PMIC 控制寄存器初探

发布时间:2021-04-15
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RTQ5115-QA 是一颗通过了 AEC-Q100 Grade 2 认证的车用 PMIC 即电源管理集成电路,其主体为 4 路 Buck 转换器和 8 路线性稳压器,各 Buck 转换器的负载能力分别为 2.4A/2A/1.6A/2A,线性稳压器的负载能力每个都是 300mA,应用电路特别简单。


RTQ5115-QA 的集成度很高,下面是它的内部电路框图。


将各个转换器和系统控制部分连接起来的是中间的一大块逻辑控制电路和左下角的 State Machine,它们是各个转换器与系统控制器之间的桥梁,也是整个芯片的控制中心。
RTQ5115-QA 支持直接加电启动或按键启动,能在系统需要时自主启动关机过程,遇到故障或收到按键信号时可主动关机,还能实施自动重启操作,将各种情况下的需要都考虑到了.


RTQ5115-QA 具有 I2C 接口,它在 I2C 总线上的角色属于 Slave,其开关机时序、各个转换器的输出电压、工作频率、工作模式、是否进行频谱扩展以及电压动态调整和电压改变的速度等等都可在来自 Master 即系统控制器的指令控制下进行调整,其内部挂在 I2C 总线上的各个寄存器便是各种控制指令的存储位置。已经调试成熟的寄存器参数可以备份保存于其内部集成的可擦写存储器即 EEPROM 中,它们在需要时又可以自动重载进入寄存器,将用户设计好的工作状态重现出来。


系统控制器将一个字节的数据写入 RTQ5115-QA 内部地址为 m 的寄存器或将 N 个字节的数据写入其内部地址从 m 开始的 N 个寄存器的通讯过程如下图所示:
 


图中的 Slave Address 是 RTQ5115-QA 在 I2C 总线上的地址,它可由 SADDR 引脚选择为 0110111(SADDR=1) 或 0111111 (SADDR=0),此地址将 RTQ5115-QA 与同时挂在 I2C 总线上的其它器件区别开来,使其不会对不相关的指令做出响应。Register Address 和后面跟着的 Data 分别代表 RTQ5115-QA 内部寄存器的地址和将要写入其中的数据。
假如需要读出 RTQ5115-QA 内部寄存器的数据,相关的时序如下图所示:
 


对 RTQ5115-QA 来说,它的寄存器实在是太重要,是调节其性能、控制其工作的关键所在,所以下面就对其部分寄存器的参数进行解读,重点将会放在与 Buck 转换器相关的部分,了解了它们,我们对器件特性的理解就可以得到深入,如何控制它的方法也明确了。
 


每个寄存器都有自己的地址,这是地址为 00(十六进制)的寄存器信息,它有 8 个二进制位,分别以 7~0 的 8 个数字进行位置标识,其前半个字节的 4 个位 [7:4] 存储的数据是只能读的固定数 1000,这是供应商编码,代表立锜。后半个字节 [3:0] 的数据是 0111,为  RTQ5115-QA 的版本编号,我不知道它将来还会有多少个版本,也不知道改版时会不会改变这个数据,所以就暂且把它当作是一个固定数来看待,如果你在未来的应用中读到了新的数据也用不着惊奇,因为有很多器件都是会不断更新的。


寄存器 01、02 分别定义了 Buck1 和 Buck2 的两个特性,一是输出电压,二是输出电压发生改变时的变化速度。从对可写入参数的描述中可以看出这两路转换器的输出电压范围都是 0.7V~1.8V,步进值为 25mV,所以在应用中可以得到非常精细的输出电压设定。
当把新的数据写入 RTQ5115-QA 的寄存器以改变其输出电压时,其输出从原有电压改变到新的电压的速度是可调的,此速度由上表中的 VRC 决定,其变化过程如下图所示:


对于 Buck1 和 Buck2 而言,上图所示的每一个小台阶的上升/下降幅度可以是上表所示的 25mV、50mV、100mV 或 200mV,水平方向的一段线所代表的时长则为 10µs,两者合起来就表达了电压变化的速度,但是这种逐渐变化的设定是可以被禁止的,这在下图所示的寄存器 05 的内容里被呈现了出来:


当写入数据使寄存器 05 的 [7:4] 中的某个位被设定为 0 时,与之对应的 Buck 转换器的电压渐变功能便被取消了,若写入数据为 1 则是使能该功能。禁止了电压渐变功能的转换器能以最快的速度从原有电压改变到新的电压,这样做的坏处是可能会形成比较大的输入端电流冲击,所以你在选择时要仔细权衡一下。
寄存器 03、04 分别定义了 Buck3 和 Buck4 的输出电压及其变化速度,它们的规格是一样的,所以这里只展示其中一个的定义:


Buck3/4 的最高输出电压为 3.6V,最低输出电压与 Buck1/2 一样都是 0.7V。由于 Buck3/4 扩大了输出电压范围,相应的电压步进值扩大到 50mV,电压变化速度也加大了一倍。


寄存器 06 定义了每个 Buck 转换器的工作模式。如果需要得到比较高的输出电压调节精度,选择 Force PWM 就是对的;如果需要得到比较高的轻载效率,选择 Auto Mode 以实现自动的 PSM/PWM 切换就是对的。该寄存器的低半字节定义了每个 Buck 转换器在关断后对输出端储能的处理方式,一种是浮空模式 Floating,输出电容里储存的电能会自然变化,就看负载是如何吸收它的。另一种是主动放电的模式,规格书没有告诉我们这是如何实现的,但实际上就是在与输出端连接的某个地方对地设置一个可控的 MOSFET 开关,它的导通电阻可以比较大,因为放电电流也不能太大,只要能够在一段不太长的时间里把输出端电压释放到接近地电位的水平就可以了。


寄存器 12 用半个字节的空间作为各路 Buck 转换器的使能控制位,只要将相应控制位置为 1 或 0 便可容许或禁止与它对应的转换器进入工作状态,但在 MASK_GPIO 端子处于低电平时,外部使能控制端 ENB1/2/3/4 的优先级就更高了,是否容许对应的转换器进入工作状态将由它们来决定(参见前面的开关机流程图)。


寄存器 16 的内容与欠压保护有关,你可以用这里设定的数据来决定各个位置的欠压状况可否引起关机动作,其中的 [7:4] 这 4 个位对应的是 Buck1~4 的输出欠压事件,只要将某位设定为 1 便可在它对应的 Buck 输出端欠压时容许启动关机进程。
那么这些 Buck 转换器的输出欠压的判断标准是什么呢?规格书没有明确说明,但在下述寄存器的描述中可以找到这个指标:
 


当某个 Buck 的输出电压低到额定电压的 66% 时能否发出中断信号?这个选择的控制开关在寄存器 28 里。如果中断已经发生了,你可以在中断服务程序里读取寄存器 29 里的数据,只要其中的某个位为 1,与其对应的事件就发生了。
 


寄存器 2C、2D 定义了整个芯片开机过程中各个 Buck 转换器所处的开机顺序,每个转换器都使用了半个字节,数据 0000 代表不启动,0001 代表最先启动,1100 代表最后启动。由于 0001 和 1100 分别是十进制数 1 和 12 的二进制表达,而 4 个 Buck 再加 8 个线性稳压器就是 12 个调节器,而那 8 个线性稳压器的启动顺序也是用同样方法来定义的,所以我们知道数字越小则越先启动,数字越大则越晚启动,到了关机的时候其顺序就颠倒过来了,下图便是我们可以看到的一个开/关机过程,请注意各个通道之间的时间顺序关系:


上图所示的开关机过程只是一个示例,你完全可以根据自己的需要来做设定。
时序设定中也有时间参数,但是本文不想写得太长,所以就暂时不涉及了,剩余的部分我们可以在以后再去解剖,喜欢自研的读者可以自己去探索,这里所用的方法可供你参考。


寄存器 33 提示我们 RTQ5115-QA 调整工作频率的方法大概是这样的:它使用了一个电压控制振荡器 VCO 作为 Buck 转换器的时钟源,其输入很可能是来自一个数字-模拟转换器 DAC,这个 DAC 的输出电压范围为 0.375V~1.8V,这个电压范围对应的 VCO 输出频率范围为 500kHz~2MHz,而这个 VCO 的输入电压即与之对应的 DAC 的输出电压从一个值变化到另一个值的速度是可调的,你可以从 25mV/10µs、25mV/20µs、25mV/40µs 和 25mV/80µs 共 4 个选项中去选择。这里提到的 DAC 应该是不需要提及,因为规格书在很多情况下都不需要告诉读者它的实现方式,所以在规格书中被隐藏了,我为了自圆其说而假设了它的存在,你只需要把相关的数据写入寄存器 33 便可实现以一定的频率变化速度修改 Buck 工作频率的目的。


RTQ5115-QA 的 Buck 转换器是否需要工作在频谱扩展模式呢?这对车载设备来说是很有意义的,而寄存器 33 便是用来做选择的地方。如果选择是,Buck 转换器在工作时的频率就是不断变化的,这样便可将它们工作时辐射出去的能量扩散到一个频段里而不是在单个频点集中,为降低电磁兼容处理难度带来好处,希望它能为你的应用带来方便。
到这里,RTQ5115-QA 内部与 Buck 转换器相关的寄存器就已经介绍完了,其他的部分我们下期可以再谈。

以上内容来源: RichtekTechnology

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