小猫爪：AWR294x学习笔记03-AWR294x之PMIC LP87745

1 前言

  这一章来简单介绍一下TI的PMIC LP87745。

2 功能简介

2.1 FSM

  LP87745内部有个电源状态机，每个电源状态对应LP87745的一种工作模式。LP87745共有以下几种模式，或者几种状态：

状态名称	描述
NO SUPPLY	没电状态，就是LP87745没有供电
INIT	初始化状态，这个状态中，LP87745从其自身的NVM中读取寄存器配置信息并且初始化自身
BOOT BIST	自测试阶段，即进行build-in self-test，可通过置位NVM中的LBIST_BYPASS_EN位来跳过这个状态
STANDBY	相当于低功耗模式，在这个状态下，基本上所有的功能都没有了，开关电源也不会输出电源，可被唤醒。
ACTIVE	正常工作模式，在这个模式下，所有的功能正常使用
SAFE RECOVERY	安全恢复模式，当LP87745检测到错误时或者检测到有序关机请求时。检测到错误时，LP87745会尝试恢复，如果恢复次数超过阈值RECOV_CNT_THR，那么LP8774状态就会永远停留在SAFE状态，除非进行上下电操作。

  LP87745状态机切换顺序以及切换条件如下图所示：

  从图中可以看到状态的切换主要受LP8774的一些系统条件控制，那么如果同一时间，出现了多个系统条件时，LP8774该怎么切换状态呢？ 很简单，LP8774给这些条件排了优先级，如果同一时间出现了多个系统条件，则根据最高优先级条件来做反应，序号越小，优先级越高，系统条件的优先级顺序如下：

1. VCCA > VCCA_UVLO (NO SUPPLY).
2. Emergency shutdown.
3. Immediate shutdown.
4. Orderly shutdown.
5. Cold boot request.
6. OFF request.
7. Warm reset.

  所以要想让LP87745工作状态发生切换，那么就需要主动或者被动去触发LP87745出现这些系统条件，让其工作状态发生切换。

2.2 系统条件

2.2.1 ON/OFF Requests

  观察上一节的状态切换图，发现ON/OFF Requests可以让LP87745在ACTIVE和STANDBY两种状态中发生切换。那么什么事件会让LP87745触发该系统条件呢，如下：

事件名称	描述
ON Request	拉低ENABLE引脚持续8us后即可触发，该事件无法屏蔽
OFF Request	拉高ENABLE引脚持续8us后即可触发，该事件无法屏蔽 通过SPI接口发送命令，该事件无法屏蔽

2.2.2 Warm Reset

  观察上一节的状态切换图，发现Warm Reset并不能直接让LP87745的工作状态发生切换，但是每发生一次Warm Reset，RESET_CNT会累加1，一旦超过阈值RESET_CNT_THR，那么就会让LP87745触发orderly shutdown事件，让其切换至SAFE状态并清除RESET_CNT。

  Warm Reset只能在ACTIVE状态下发生，Warm Reset会toggle nRSTOUT 引脚而让MCU复位。另外system conditional 还可以让某些寄存器复位至默认值。具体有哪些寄存器这里就不一一列举，感兴趣的小伙伴可参考数据手手册。

  最关键的来了，LP87745有哪些事件会触发Warm Reset事件呢？如下：

事件名称	是否可屏蔽	描述
MCU Request	No	MCU sends request over SPI interface
VCCA _UV	Yes	VCCA input supply Under-Voltage event
BUCKn_UV	Yes	BUCKn Under-Voltage event
BOOST_UV	Yes	BOOST Under-Voltage event
VIO_LDO_UV	Yes	VIO_LDO Under-Voltage event
VMONn_UV	Yes	VMON Under-Voltage event
VCCA _OV	Yes	VCCA input supply Over-Voltage event
BUCKn_OV	Yes	BUCKn Over-Voltage event
BOOST_OV	Yes	BOOST Over-Voltage event
VIO_LDO_OV	Yes	VIO_LDO Over-Voltage event
VMONn_OV	Yes	VMON Over-Voltage event
BUCKn_SC	Yes	BUCKn Short Circuit event
BOOST_SC	Yes	BOOST Short Circuit event
VIO_LDO_SC	Yes	VIO_LDO Short Circuit event
WD Fail Count	Yes	When WD Fail Count exceeds programmed WD Fail Count reset threshold value (WD_FAIL_CNT = WD_RST_TH)
ESM Fail Count	Yes	When ESM Fail Count exceeds programmed ESM Fail Count reset threshold value (ESM_ERR_CNT =ESM_ERR_CNT_RST_TH)
nINT Error	Yes	nINT pin readback error

2.2.3 Shutdown Request

  Shutdown Request分为Orderly和Immediate两种，观察状态切换图可以看出，Orderly Shutdown Request可以让LP87745从ACTIVE切换至SAFE状态，而Immediate Shutdown Request可以让其从任何状态切换至SAFE状态。

  对于Orderly Shutdown Request，进入到SAFE状态后，NRSTOUT会被激活，所有电源会无输出，GPIO会被拉低，所以为了让LP87745进入SAFE之前有个缓冲区，用户可以为其所有输出行为加上一个延迟，分别是BUCKn_SHUTDOWN_DELAY,BOOST_SHUTDOWN_DELAY,VIO_LDO_SHUTDWN_DELAY, GPO_SHUTDOWN_DELAY和NRSTOUT_SHUTDOWN_DELAY。

  下表表明了哪些事件可以触发Orderly Shutdown Request：

事件名称	是否可屏蔽	描述
MCU Request	No
RECOV_CNT >RECOV_CNT_THR	Yes (for debug/char purposes only)	SAFE state recovery counter reaches max programmed threshold value
RESET_CNT[3:0] ≥RESET_CNT_THR[3:0]		Warm reset counter reaches max programmed threshold value
Tj ≥ TSD_ORDERLY	Yes (for debug/char purposes only)	Junction temperature reaches threshold level for orderly shutdown
GPOn_READBACK_ERROR	Yes	GPOn pin readback error
NRSTOUT_READBACK Error	Yes	NRSTOUT pin readback Error
VIO_LDO/VMON1/VCCA OV/UV	Yes	When *_OV/UV_SEL=10,11
BOOST and BUCK OV,UV,SC	Yes	When *OV/UV_SEL=10 and PWRERR_OSD_SEL=1
BOOST,BUCK,VIO_LDO,VMON1 RV	yes	When RV (residual voltage) detected and *_RV_CON=1

  对于Immediate Shutdown Request，进入到SAFE状态后，NRSTOUT会被激活，所有电源会无输出，GPIO会被拉低，所有操作会立即被执行。
  下表表明了哪些事件可以触发Immediate Shutdown Request：

事件名称	是否可屏蔽	描述
Tj ≥ TSD_IMMEDIATE	No	Junction temperature reaches threshold level for immediate shutdown
VCCA_OVP	Yes (for debug/char purposes only)	Input supply at VCCA pin >VOVP
Main clock error	Yes (for debug/char purposes only)	Internal clock out of range. Recovery by power cycling.
VINT UV	NA	Internal LDO under-voltage. Recovery when internal LDO voltage is valid. Device is reset.
VINT OV	Yes (for debug/char purposes only)	Internal LDO over-voltage. Recovery when internal LDO voltage is valid. Device is reset.

2.2.4 MCU Commands

  MCU可以通过SPI接口直接触发一些系统事件让FSM发生状态切换，具体如下：

MCU REQUEST	Command	COMMENT
OFF request	1001 1001	From ACTIVE to STANDBY
Cold boot request	0101 0101	From ACTIVE to INIT
Warm Reset request	1100 1100	Increments RESET_CNT
Disable BIST Bypass	1101 0010
SAFE Recovery Request	0100 1011	From ACTIVE to SAFE, increments RECOV_CNT
Reserved	1000 0111
Reserved	0001 1110

2.3 错误检测和处理

  LP87745有非常强大的错误检测和处理机制，在讲解系统条件时其实就列举了非常多的事件，这些事件大部分其实都是错误检测和处理，当LP87745检测到错误时就会触发系统条件，让LP87745发生进行状态切换。下图显示LP87745内部所定义的错误类型以及错误发生后相应的行为响应：

  在上图中，红色框内的为错误类型定义，蓝色框内的相应的行为响应。简单列举一下相关信息如下（具体还得参考数据手册）：

错误类型	触发条件	行为反应
Power Rail Error	检测到电源输出有UV,OV,SC错误	行为反应可做选择，可以触发中断，输出nINT，触发Orderly Shutdown
Moderate Errors	$Die温度超过阈值TSD_IMMEDIATE, VCCA > VOVP	触发 Immediate Shutdown
Emergency Shutdown Errors	内部LDO OV/UV事件	触发 Immediate Shutdown
Watchdog (WDOG) Error
ESM error	检测外部MCU信号错误信号
nINT and Warnings	电流超限，nINT回读错误等	触发WARM RESET和相应中断
Boot BIST Error	自测试出现错误	触发中断

2.4 启动时序

  LP87745上电后状态切换时序如下图所示：

  上电和下电时序如下图所示：

2.5 看门狗

  看门狗的原理很简单，里面有一个计数器叫WD_FAIL_CNT，还有两个阈值WD_FAIL_TH和WD_RST_TH，当喂狗成功或者喂狗失败后，WD_FAIL_CNT就会相应的增加或者减少，一旦这个该值满足了以下条件PMIC就会进行相应操作，具体如下：

情况	响应
WD_FAIL_CNT≤ WD_FAIL_TH	No change to nINT or NRSTOUT outputs. MCU can set the CAN_DIS bit if no other error flags are set.
WD_FAIL_TH < WD_FAIL_CNT≤ (WD_FAIL_TH+ WD_RST_TH)	The device sets error-flag WD_FAIL and activates the nINT pin.CAN_DIS bit is cleared.
WD_FAIL_CNT> (WD_FAIL_TH+ WD_RST_TH)	If configuration bit WD_RST_EN=1, device goes through a warmreset, sets the error-flag WD_RST, and activates the nINT pin low.

2.5.1 初始化

  在PMIC上电启动释放nRSTOUT后，看门狗会进入Long Window期，在这个时间内，MCU可以对看门狗进行初始化操作。对于看门狗需要初始化的有以下参数：

参数	描述
WD_LONGWIN	Long Window持续的时间
WD_PWRHOLD	看门狗的disable-function
WD_RETURN_LONGWIN	用来让看门狗重新进入Long Window在当前看门狗序列完成
WD_WIN1	Window-1时间间隔的持续时间
WD_WIN2	Window-2时间间隔的持续时间
WD_RST_EN	使能/失能看门狗的reset-function
WD_EN	使能/失能看门狗
WD_FAIL_TH	设置阈值WD_FAIL_TH
WD_RST_TH	设置阈值WD_RST_TH
WD_QA_FDBK	answer-generation配置
WD_QA_LFSR	question-generation配置
WD_QUESTION_SEED	第一次question-generation的起始点
WD_QA_CFG

  对于WD_LONGWIN的配置比较特别，具体如下：

WD_LONGWIN	Long Window期持续的时间
0	80ms
1	125ms
2 ~ 64	250ms ~ 8s，每增加1，时间增加125ms
65 ~ 255	12s ~ 12.867min，每增加1，时间增加4s

2.5.2 同步

  当所有寄存器配置完毕，需要看门狗退出Long Window进入正常工作模式，MCU必须要做两件事来完成其同步操作：

1. 清除WD_PWRHOLD位来失能Disable-function
2. 写WD_ANSWER寄存器4次

  如果MCU在Long Window期间并没有正常完成看门狗的同步操作，那么就会触发warm reset系统条件，并且触发WD_LONGWIN_TIMEOUT_INT中断。

2.5.3 Disable-function

  为了防止MCU中没有喂狗程序而导致PMIC反复触发warm reset，所以就整出了一个Disable-function，Disable-function被激活时，看门狗就会永远处于Long Window。当PMIC上电时，CS_SPI/WD_DIS引脚为低时，disable-function就会被使能， 清除WD_PWRHOLD位可以失能Disable-function。

2.5.4 序列周期

  所有看类型的门狗都有一个周期，MCU必须在这个周期内按照规定给看门狗进行喂狗，不然看门狗就会报告相关错误。那么LP87745中看门狗的规则是什么呢？

  LP87745的看门狗的喂狗模式被称为Question-Answer，这种模式下，在每个看门狗周期内，看门狗都会出一个Question，MCU需要读取这个Question计算出正确Answer，并将Answer按照顺序在规定时间窗口内发送给LP87745，只有Answer正确，才算是喂狗成功。

1 Question

  LP87745在每个周期序列开始前都会根据一定的规则更新Question，MCU可以直接通过读取寄存器WD_QUESTION[3:0]得到一个4bit的Question，也可以软件按照这个规则去计算这个Question，至于计算方法请参考数据手册。

2 Answer

  根据问题计算ANSWER，ANSWER一共有四个字节，分别是ANSWER-3，ANSWER-2，ANSWER-1，ANSWER-0，WD_ANSW_CNT的值则显示了当前需要往WD_ANSWER写哪个ANSWER，如果保持寄存器WD_QA_CFG的默认配置，则其真值表如下图所示：

  MCU不仅需要计算出ANSWER，还需要在规定时间窗口内按照规定顺序写入ANSWER，具体如下：

  如上图所示，具体为在窗口WINDOW-1内写入依次ANSWER-3，ANSWER-2，ANSWER-1，然后在窗口WINDOW-2内写入ANSWER-0，当ANSWER-0写入成功后，当前周期序列结束。

3. 定时器设计

  另外WINDOW-1和WINDOW-2的时间窗口计算公式如下：


  下面代码为计算时间窗口的示例代码：

    window1 = (uint8_t)((WINDOW_1_INTERVAL / 0.55) - 1);
    window2 = (uint8_t)((WINDOW_2_INTERVAL / 0.55) - 1);

  计算完两个窗口时间之后，就需要设计定时器来完成两个窗口的喂狗行为，仔细看喂狗流程图中的介绍，可以发现WINDOW1窗口的时间结束后WINDOW2窗口开始，而写入最后一个answer后WINDOW2结束，所以以WINDOW1窗口开始的时间节点为开始计时，在WINDOW1的窗口时间内（0 < t < WINDOW_1_INTERVAL ）完成前三个ANSWER的写入，在WINDOW2的窗口时间内（WINDOW_1_INTERVAL < t < WINDOW_1_INTERVAL + WINDOW_2_INTERVAL ）完成最后一个ANSWER的写入。

2.6 ESM

  ESM（error signal monitor）可以检测一个外部输入是否满足要求，可以将GPO2引脚作为ESM输入引脚。ESM有两种工作模式，分别是LEVEL模式和PWM模式，可通过ESM_MCU_MODE去选择工作模式。MCU可以通过置位ESM_MCU_START来启动ESM，清除该位即可停止ESM。

  其中LEVEL模式就比较好理解了，输入信号发生电平翻转，且维持有效电平时间超过 tdegl_ESM（13us ~ 17us），就会触发ESM错误并且开始ESM错误处理流程。

  对于PWM模式，就是输入信号的周期和占空比必须与PMIC中设置的值符合，这样才会正常，如果不匹配的话，则会产生错误。不同于LEVEL模式，PWM模式中，ESM有一个错误计数器，只有当ESM检测ESM_MCU_ERR_CNT，检测到周期和占空比不符合时（其实就是判断在不在一个提前配置好的区间内），该计数器加2，符合时则减1。一旦ESM_MCU_ERR_CNT超过阈值ESM_MCU_ERR_CNT_TH，就会触发ESM错误并且开始ESM错误处理流程，这里对错误处理流程就不多做介绍了，详情请参考数据手册。

  以上提到的ESM错误处理流程根据配置分成了两种情况，总之比较复杂，在这里就不多作介绍了，具体请参考数据手册。

2.7 IO

  LP87745有两个可操控的IO脚，两个引脚可通过GPO1_SEL和GPO2_SEL来配置其功能，如下图：

1. VMON1: 作为模拟输入，可监控外部电压。
2. GPO：GPIO模式，可操控其输出
3. FAULT：错误输出，用来输出PMIC当前错误状态
4. nERR：ESM错误输入，可通过该引脚向LP87745内部输入错误
5. CAN_DIS：通常使用该引脚控制CAN的收发器

2.8 SPI操作时序

  LP87745的SPI接口非常简单，POL=0，PHA=1，SPI模式1，CS低有效，另外为了保证通信的安全，还加入了CRC-8检测机制，CRC-8默认不使能，可通过设置SPI_CRC_EN为1来使能。

  CRC没有使能下，写寄存器时时序如下：

  对于Master端这边，具体内容如下：

总线位置，MSB	值
0-7	寄存器偏移地址
8-10	页
11	写操作，为0
12-15	Reserved
16-23	需要写的值

  对于Slaver端这边回复的内容：

总线位置，MSB	值
0	0
1-7	SPI_STATUS
8	1
9-15	SPI_STATUS的非
16-23	无意义

  CRC没有使能下，读寄存器时时序如下：

  对于Master端这边，具体内容如下：

总线位置，MSB	值
0-7	寄存器偏移地址
8-10	页
11	写操作，为1
12-15	Reserved
16-23	无意义

  对于Slaver端这边回复的内容：

总线位置，MSB	值
0	0
1-7	SPI_STATUS
8	1
9-15	SPI_STATUS的非
16-23	读取的数据

  注：对于CRC使能情况下，需要变换的只是需要在读写数据后面加上CRC的校验值，在这里就不详细介绍了，详情请参考数据手册。

  在上面时序表格中，出现了SPI_STATUS这个参数，这个参数其实简单的反应了当时LP87745的状态，每一位具体代表的含义如下所示：

位	值
• Bit 7	always 0
• Bit 6	COMM_ADR_ERR_SWINT
• Bit 5	COMM_CRC_ERR_SWINT
• Bit 4	COMM_FRM_ERR_SWINT
• Bit 3	ESM_MCU_PIN_SWINT
• Bit 2	TWARN_SWINT
• Bit 1	WD_SWINT
• Bit 0	NINT_READBACK_SWINT

2.9 展频功能

  由于LP87745内部开关电源的频率很高，最高能达到17.6MHz，而开关电源的电感是外置的，在进行EMC辐射测试的时候是有可能不通过的，所以PMIC非常贴心的提供了展频功能，而开启展频功能也是非常的简单，只需要置位SS_EN就好了。

END