一、概述
NXP 的 SBC - FS85 是一款車規級、多通道電源輸出的電源集成晶片。FS85 的最大輸入電壓是 60V，可應用於新能源汽車的 12V 或者 24V 電源系統中。FS85 包括 1 路高壓 Buck，3 路低壓 Buck，1 路低壓 Boost，2 路低壓 LDO，可通過 I2C 或者 SPI 接口與主機通訊。主控 MCU 在運行過程中需要定時給 FS85 發送餵狗信息，通過這種方式來監測主控 MCU 是否宕機。一旦超時沒有餵狗，FS85 就會認為主控 MCU 出現問題，就會立即採取一系列措施，比如產生中斷信號、拉低復位管腳、斷電等。
世平集團在汽車 HVBMS 方案中，主控板上的電源管理集成晶片採用 FS85。通過這顆 IC 對電源進行管理，提高了系統的穩定性和安全性。
下面向大家介紹 FS85 的硬體設計。
二、FS85 的原理圖
HVBMS 的 FS85 電路原理圖如下圖所示：
圖 1. FS85 電路原理圖
三、各個模塊的說明
FS85 的電路會因不同的應用而做不同的設計。從電路原理圖上可以看出，這個應用只使用了 VPRE、BUCK1 和 BUCK3 這三個電壓。BOOST、LDO1 和 LDO2 沒有用，做留空處理。
- 電源輸入
在此電路中，VBAT 可以是 12V 也可以是 24V。源於 VBAT 電源的 VIN 除了接 VSUP1/2 管腳，給 FS85 本身供電之外，還是 VPRE 電路的電源。另外，DBG 和 WAKE1 的上拉也用到了 VIN 電源，以便 FS85 進入 Debug 模式。
- VPRE
VPRE 是一個高壓同步 BUCK 模塊，需要外置高低邊 NMOS 管。PWM 開關頻率有 455KHz 和 2.22MHz 兩種，可根據需要設置 OTP。當輸入電源 VBAT 為 12V 時，兩種開關頻率可任選，當輸入電源為 24V 時，只能選 455KHz。VPRE 可配置的輸出電壓有：3.3V、3.8V、4.1V、5.0V。此應用中設置 VPRE 輸出的電壓為 5V。VPRE 輸出的電流由外置 NMOS 決定，最大不超過 10A。
關於外置 NMOS 管的選型，需要根據不同的需求來選擇，NXP 官方推薦型號如下：
- 低壓 BUCK
BUCK1 和 BUCK2 內置高邊 PMOS 和低邊 NMOS，開關頻率為 2.2MHz。輸入電壓範圍：2.5V~5.5V，輸出電壓範圍：0.8V~1.8V，每個 BUCK 能提供 2.5A 的電流。BUCK1 和 BUCK2 可配置成相同電壓，並聯輸出雙倍的電流。此應用中，只用到 BUCK1 輸出 1.5V 電壓。
與 BUCK1/2 一樣，BUCK3 也是內置高邊 PMOS 和低邊 NMOS，開關頻率為 2.2MHz，輸入電壓範圍：2.5V~5.5V，能提供 2.5A 的電流。不同的是，BUCK3 的輸出電壓範圍是 1.0V~3.3V。此應用中，設置 BUCK3 輸出 3.3V 電壓。
以上 3 個 BUCK 的電感值都選用 1uH 。
- 低壓 BOOST
VBOOST 的輸入電源從晶片內部連接到 VPRE，輸出電壓為 5.0V 或者 5.74V，開關頻率是 2.22MHz。此應用中，沒有用到 VBOOST。下表是 VBOOST 的輸出電流能力：
- 低壓 LDO
LDO1 和 LDO2 輸出電壓範圍是：1.1V~5.0V。其中，LDO2 的輸入電源內部連到 VBOOST，LDO1 的輸入電源外置，可接 VBOOST 或者 VPRE 等，輸入電壓範圍：2.5V~6.5V。LDO 的輸出電流能力與最小壓降有關。當最小壓降為 0.5V 時，最大可輸出 150mA 電流；當最小壓降為 1.0V 時，最大可輸出 400mA。此應用中，沒有用到這兩個 LDO。
- VDDIO
VDDIO 管腳是 IO 的電源，其電平可以是 3.3V 或者 5V。VDDIO 可以從 VPRE、LDO1、LDO2、BUCK3 或者外部電源取電。在此應用中，VDDIO 連接到了 VPRE，電壓為 5V。
- DBG
DBG 部分的電路中，R1 和 R2 將 VIN 電壓分壓，使 DBG 管腳上的電壓在 4.5V~5.5V 之間。按鍵 K1 用於手動使 FS85 進入 Debug 模式。
- VBOS
VBOS 管腳反映了內部 BOS 模塊上的電壓，電壓是：5V。當 VBOS 電壓低於 3.2V~3.4V，則 FS85 不工作。VBOS 還用於驅動 VPRE 的高邊和低邊 MOS，以及 VBOOST 的低邊 MOS。VBOS 管腳上只需要接個 4.7uF 的電容。
- PSYNC pin
PSYNC 管腳用於同步第二個 SBC 或者 PMIC。這個應用中只有一個 SBC，所以只需將PSYNC 管腳加個10K 電阻上拉到 VBOS 管腳。
- 通訊接口
FS85 支持 I2C 和 SPI 兩種通訊接口。I2C 接口最大的通訊速率可以達到 3.4Mbps。
如果使用 I2C 接口，除了SCL 和 SDA 管腳要連接 MCU 之外，VDDI2C 管腳也需接到 VDDIO 上，其電平支持 1.8V 和 3.3V。FS85 有 2 個 I2C 設備地址，用於訪問 main logic 和 fail-safe logic 兩組不同的寄存器。
如果 VDDIO 要使用更高的電平，則選用 SPI 接口通訊。SPI 通訊位數是 32-bit ，最高通訊速率可達到 10MHz。
此應用中，由於 VDDIO 是 5V 電平，所以使用 SPI 接口。
- WAKE
WAKE1 和 WAKE2 管腳用於 wake-up（喚醒）輸入信號。當 WAKE1 或者 WAKE2 管腳上的電壓大於 4V 時，VBOS 被喚醒並上電。當 WAKE1 或者 WAKE2 管腳上的電壓小於 1V，而且 FS85 處於 Standby 模式的時候，VBOS 下電。在電路中要注意，兩個 WAKE 管腳上都要接一個下拉電阻。
- INTB
INTB 管腳是個內部帶 10KΩ 上拉電阻的開漏輸出。當內部事件發生時，INTB 會產生一個100us 時長的脈衝。由 M_INT_MASK 寄存器決定 INTB 在什麼情況下產生脈衝。
- PGOOD、RSTB、FS0B
PGOOD、RSTB、FS0B 三個管腳作為指示安全狀態的輸出管腳。PGOOD 所指示的安全等級最高，RSTB 次之，FS0B 最低。當 PGOOD 為低電平時，RSTB 和 FS0B 必為低電平；當 RSTB 為低電平時，FS0B 必為低電平，而 PGOOD 不一定為低電平。當 FS0B 為低電平時，PGOOD 和 RSTB 都不一定為低電平。三個管腳都是內部帶 400KΩ 下拉電阻的開漏輸出。每個管腳上外部需要加一個 5.1KΩ 電阻連到 VDDIO，接一個 1nF 電容連到 GND。
PGOOD 的電平被拉低的條件是：檢測到某個輸出電壓過高或者過低時，或者 FS_LOGIC 錯誤時。RSTB 和 FS0B 的電平被拉低的條件由軟體配置。
- FCCU
FCCU 作為 MCU 向 FS85 報錯的渠道，包括 2 個接口：FCCU1 和 FCCU2。這兩個接口信號可以聯合檢測，也可以單獨檢測。當檢測到 FCCU 信號時，FS85根據設置會拉低 FS0B 管腳上的電平，還會復位 RSTB 管腳。建議 FCCU1 管腳上接個 10K 電阻到 GND，FCCU2 管腳上接個 5.1K 電阻到 VDDIO。
- VCOREMON、VMONx
VCOREMON 和 4 個 VMON 管腳用於檢測電平過壓/欠壓狀態。VCOREMON 接的是 BUCK1 和 BUCK2 的電壓。其他 4 個 VMON 可以連接 VPRE、LDO1、LDO2、BUCK3，或者外部的其他電壓，VCOREMON 的參考電平是 BUCK1 和 BUCK2 上的電壓，而 VMONx 的參考電平是 0.8V，所以需要將電壓用電阻分壓之後給到 VMONx 管腳上，以保證 VMONx 管腳上的電壓在 0.8V 上下浮動。過壓和欠壓的極值可通過軟體設置。
- AMUX
AMUX 是模擬信號輸出。MCU 通過 I2C/SPI 接口選擇某個信號連接到 AMUX 管腳上，然後通過 ADC 測量 AMUX 管腳上的電壓值。可選擇的的信號包括：GND、VDDIO、溫度傳感器輸出、VBUCK1、VBUCK2等等，一共 20 種模擬量。
四、總結
通過以上描述，相信您對 FS85 這顆安全晶片的硬體設計有所了解。我們從中可以看出，作為適合 ASIL D 功能安全等級的電源管理晶片，其對每個輸出電源都做了偵測，甚至還預留各種接口作為外部信號的幀測，比如 PGOOD、RSTB、FS0B、FCCU 等。當然，除了硬體之外，這顆電源安全管理晶片的功能安全還包括軟體方面，將在下一篇博文中介紹。如果想了解更多，可以在下方評論區留言，或者發郵件給我們：atu.sh@wpi-group.com。
五、參考資料
- FS84/FS85 Datasheet。
歡迎在博文下方留言評論，我們會及時回復您的問題。如有更多需求，歡迎聯繫大聯大世平集團 ATU 部門：atu.sh@wpi-group.com
作者：May Xu / 徐美霞
評論