一、概述
NXP 的 SBC - FS85 是一款车规级、多通道电源输出的电源集成芯片。FS85 的最大输入电压是 60V，可应用于新能源汽车的 12V 或者 24V 电源系统中。FS85 包括 1 路高压 Buck，3 路低压 Buck，1 路低压 Boost，2 路低压 LDO，可通过 I2C 或者 SPI 接口与主机通讯。主控 MCU 在运行过程中需要定时给 FS85 发送喂狗信息，通过这种方式来监测主控 MCU 是否宕机。一旦超时没有喂狗，FS85 就会认为主控 MCU 出现问题，就会立即采取一系列措施，比如产生中断信号、拉低复位管脚、断电等。
世平集团在汽车 HVBMS 方案中，主控板上的电源管理集成芯片采用 FS85。通过这颗 IC 对电源进行管理，提高了系统的稳定性和安全性。
下面向大家介绍 FS85 的硬件设计。
二、FS85 的原理图
HVBMS 的 FS85 电路原理图如下图所示：
图 1. FS85 电路原理图
三、各个模块的说明
FS85 的电路会因不同的应用而做不同的设计。从电路原理图上可以看出，这个应用只使用了 VPRE、BUCK1 和 BUCK3 这三个电压。BOOST、LDO1 和 LDO2 没有用，做留空处理。
- 电源输入
在此电路中，VBAT 可以是 12V 也可以是 24V。源于 VBAT 电源的 VIN 除了接 VSUP1/2 管脚，给 FS85 本身供电之外，还是 VPRE 电路的电源。另外，DBG 和 WAKE1 的上拉也用到了 VIN 电源，以便 FS85 进入 Debug 模式。
- VPRE
VPRE 是一个高压同步 BUCK 模块，需要外置高低边 NMOS 管。PWM 开关频率有 455KHz 和 2.22MHz 两种，可根据需要设置 OTP。当输入电源 VBAT 为 12V 时，两种开关频率可任选，当输入电源为 24V 时，只能选 455KHz。VPRE 可配置的输出电压有：3.3V、3.8V、4.1V、5.0V。此应用中设置 VPRE 输出的电压为 5V。VPRE 输出的电流由外置 NMOS 决定，最大不超过 10A。
关于外置 NMOS 管的选型，需要根据不同的需求来选择，NXP 官方推荐型号如下：
- 低压 BUCK
BUCK1 和 BUCK2 内置高边 PMOS 和低边 NMOS，开关频率为 2.2MHz。输入电压范围：2.5V~5.5V，输出电压范围：0.8V~1.8V，每个 BUCK 能提供 2.5A 的电流。BUCK1 和 BUCK2 可配置成相同电压，并联输出双倍的电流。此应用中，只用到 BUCK1 输出 1.5V 电压。
与 BUCK1/2 一样，BUCK3 也是内置高边 PMOS 和低边 NMOS，开关频率为 2.2MHz，输入电压范围：2.5V~5.5V，能提供 2.5A 的电流。不同的是，BUCK3 的输出电压范围是 1.0V~3.3V。此应用中，设置 BUCK3 输出 3.3V 电压。
以上 3 个 BUCK 的电感值都选用 1uH 。
- 低压 BOOST
VBOOST 的输入电源从芯片内部连接到 VPRE，输出电压为 5.0V 或者 5.74V，开关频率是 2.22MHz。此应用中，没有用到 VBOOST。下表是 VBOOST 的输出电流能力：
- 低压 LDO
LDO1 和 LDO2 输出电压范围是：1.1V~5.0V。其中，LDO2 的输入电源内部连到 VBOOST，LDO1 的输入电源外置，可接 VBOOST 或者 VPRE 等，输入电压范围：2.5V~6.5V。LDO 的输出电流能力与最小压降有关。当最小压降为 0.5V 时，最大可输出 150mA 电流；当最小压降为 1.0V 时，最大可输出 400mA。此应用中，没有用到这两个 LDO。
- VDDIO
VDDIO 管脚是 IO 的电源，其电平可以是 3.3V 或者 5V。VDDIO 可以从 VPRE、LDO1、LDO2、BUCK3 或者外部电源取电。在此应用中，VDDIO 连接到了 VPRE，电压为 5V。
- DBG
DBG 部分的电路中，R1 和 R2 将 VIN 电压分压，使 DBG 管脚上的电压在 4.5V~5.5V 之间。按键 K1 用于手动使 FS85 进入 Debug 模式。
- VBOS
VBOS 管脚反映了内部 BOS 模块上的电压，电压是：5V。当 VBOS 电压低于 3.2V~3.4V，则 FS85 不工作。VBOS 还用于驱动 VPRE 的高边和低边 MOS，以及 VBOOST 的低边 MOS。VBOS 管脚上只需要接个 4.7uF 的电容。
- PSYNC pin
PSYNC 管脚用于同步第二个 SBC 或者 PMIC。这个应用中只有一个 SBC，所以只需将PSYNC 管脚加个10K 电阻上拉到 VBOS 管脚。
- 通讯接口
FS85 支持 I2C 和 SPI 两种通讯接口。I2C 接口最大的通讯速率可以达到 3.4Mbps。
如果使用 I2C 接口，除了SCL 和 SDA 管脚要连接 MCU 之外，VDDI2C 管脚也需接到 VDDIO 上，其电平支持 1.8V 和 3.3V。FS85 有 2 个 I2C 设备地址，用于访问 main logic 和 fail-safe logic 两组不同的寄存器。
如果 VDDIO 要使用更高的电平，则选用 SPI 接口通讯。SPI 通讯位数是 32-bit ，最高通讯速率可达到 10MHz。
此应用中，由于 VDDIO 是 5V 电平，所以使用 SPI 接口。
- WAKE
WAKE1 和 WAKE2 管脚用于 wake-up（唤醒）输入信号。当 WAKE1 或者 WAKE2 管脚上的电压大于 4V 时，VBOS 被唤醒并上电。当 WAKE1 或者 WAKE2 管脚上的电压小于 1V，而且 FS85 处于 Standby 模式的时候，VBOS 下电。在电路中要注意，两个 WAKE 管脚上都要接一个下拉电阻。
- INTB
INTB 管脚是个内部带 10KΩ 上拉电阻的开漏输出。当内部事件发生时，INTB 会产生一个100us 时长的脉冲。由 M_INT_MASK 寄存器决定 INTB 在什么情况下产生脉冲。
- PGOOD、RSTB、FS0B
PGOOD、RSTB、FS0B 三个管脚作为指示安全状态的输出管脚。PGOOD 所指示的安全等级最高，RSTB 次之，FS0B 最低。当 PGOOD 为低电平时，RSTB 和 FS0B 必为低电平；当 RSTB 为低电平时，FS0B 必为低电平，而 PGOOD 不一定为低电平。当 FS0B 为低电平时，PGOOD 和 RSTB 都不一定为低电平。三个管脚都是内部带 400KΩ 下拉电阻的开漏输出。每个管脚上外部需要加一个 5.1KΩ 电阻连到 VDDIO，接一个 1nF 电容连到 GND。
PGOOD 的电平被拉低的条件是：检测到某个输出电压过高或者过低时，或者 FS_LOGIC 错误时。RSTB 和 FS0B 的电平被拉低的条件由软件配置。
- FCCU
FCCU 作为 MCU 向 FS85 报错的渠道，包括 2 个接口：FCCU1 和 FCCU2。这两个接口信号可以联合检测，也可以单独检测。当检测到 FCCU 信号时，FS85根据设置会拉低 FS0B 管脚上的电平，还会复位 RSTB 管脚。建议 FCCU1 管脚上接个 10K 电阻到 GND，FCCU2 管脚上接个 5.1K 电阻到 VDDIO。
- VCOREMON、VMONx
VCOREMON 和 4 个 VMON 管脚用于检测电平过压/欠压状态。VCOREMON 接的是 BUCK1 和 BUCK2 的电压。其他 4 个 VMON 可以连接 VPRE、LDO1、LDO2、BUCK3，或者外部的其他电压，VCOREMON 的参考电平是 BUCK1 和 BUCK2 上的电压，而 VMONx 的参考电平是 0.8V，所以需要将电压用电阻分压之后给到 VMONx 管脚上，以保证 VMONx 管脚上的电压在 0.8V 上下浮动。过压和欠压的极值可通过软件设置。
- AMUX
AMUX 是模拟信号输出。MCU 通过 I2C/SPI 接口选择某个信号连接到 AMUX 管脚上，然后通过 ADC 测量 AMUX 管脚上的电压值。可选择的的信号包括：GND、VDDIO、温度传感器输出、VBUCK1、VBUCK2等等，一共 20 种模拟量。
四、总结
通过以上描述，相信您对 FS85 这颗安全芯片的硬件设计有所了解。我们从中可以看出，作为适合 ASIL D 功能安全等级的电源管理芯片，其对每个输出电源都做了侦测，甚至还预留各种接口作为外部信号的帧测，比如 PGOOD、RSTB、FS0B、FCCU 等。当然，除了硬件之外，这颗电源安全管理芯片的功能安全还包括软件方面，将在下一篇博文中介绍。如果想了解更多，可以在下方评论区留言，或者发邮件给我们：atu.sh@wpi-group.com。
五、参考资料
- FS84/FS85 Datasheet。
欢迎在博文下方留言评论，我们会及时回复您的问题。如有更多需求，欢迎联系大联大世平集团 ATU 部门：atu.sh@wpi-group.com
作者：May Xu / 徐美霞
评论