利用智能電源轉(zhuǎn)換器全面提升系統(tǒng)性能

PMBus協(xié)議破除專有技術(shù)壟斷

一直以來，AC/DC和DC/DC電源轉(zhuǎn)換發(fā)展的重點主要都在降低成本、縮小尺寸、提高效率和提升功率密度上，隨之而來的要求就是適應半導體器件不斷降低的工作電壓和不斷增大的電流需求。最近幾年，又出現(xiàn)了一種新的設(shè)計目標，即通過整合更多智能化功能以增強系統(tǒng)級功能，主要是配置、控制和監(jiān)控功能，從而幫助用戶降低產(chǎn)品總成本。

最初，主要工作集中在數(shù)字通信領(lǐng)域，有許多總線標準共同競爭在該領(lǐng)域的主導地位。然而，由于缺少行業(yè)范圍的共識，從而導致各電源芯片制造商開發(fā)出各不相同的方案，結(jié)果每家都有自己的專有架構(gòu)和軟件。鑒于此種情況，2004年10月，Astec Power和Artesyn Technologies兩家公司聯(lián)合6家世界頂級半導體制造商，共同創(chuàng)立了PMBus協(xié)議，力圖通過協(xié)議的來解決專有電源解決方案及其相關(guān)的授權(quán)協(xié)議限制。

PMBus是一套真正的開放標準數(shù)字電源管理協(xié)議，它全面定義了各個電源和轉(zhuǎn)換器之間相互通信所需的傳輸和物理接口以及指令語言。該協(xié)議的第一版于2005年3月正式公布，其所有權(quán)轉(zhuǎn)移給系統(tǒng)管理接口論壇(System Management Interface Forum)。系統(tǒng)管理接口論壇(www.powerSIG.com)是一個獨立的特別興趣小組，負責該標準的發(fā)展和推廣。最新的規(guī)范草案Revision 1.1X2已于2006年4月發(fā)布。

PMBus總線傳輸層是建立在低成本的1.1版系統(tǒng)管理總線(SMBus)基礎(chǔ)上的。而1.1版SMBus則是工業(yè)標準I2C總線的一個更健全的版本，具備數(shù)據(jù)包檢錯和主機通知功能。除了SMBus的時鐘、數(shù)據(jù)和中斷線之外，PMBus協(xié)議還定義了兩個硬連線信號供電源轉(zhuǎn)換器件使用：一個是控制信號，與總線上接收到的指令共同作用，來開關(guān)單獨的從器件；另一個是可選的“寫保護”信號，用于保護存儲器中的數(shù)據(jù)不會進行任何改變。一種典型的總線實現(xiàn)方框圖見圖1。

SMBALERT信號允許從器件中斷系統(tǒng)的主設(shè)備(主機或總線)。這一安排從本質(zhì)上就比讓主器件不間斷地來選取從器件更方便，而且給主處理器帶來的負擔也更小，從而使設(shè)計師更容易實現(xiàn)事件驅(qū)動的閉環(huán)控制方案。而且，PMBus協(xié)議規(guī)定，所有從器件要么必須將默認的配置數(shù)據(jù)存儲在非易失存儲器中，要么就必須采用管腳編程，也就是說從器件必須能在沒有總線通信的情況下啟動。采用該總線的方案，系統(tǒng)啟動時間遠短于市場上的其他數(shù)字控制方案，因為其他方案都要求主器件在上電初始化程序中配置所有從器件。

圖1：基于PMBus的數(shù)字電源管理的典型連接方框圖。

PMBus正在被越來越多的廠商接受。迄今為止，已經(jīng)有30家世界領(lǐng)先的電源和半導體制造商采用了該總線標準。最近的一家是2006年9月宣稱加入PMBus組織的英特爾公司，該公司聲稱相信PMBus將是最佳的電源和熱管理接口，而且他們打算幫助推動該標準發(fā)展，以便滿足企業(yè)數(shù)據(jù)中心的應用需求。

分布式電源系統(tǒng)處于領(lǐng)先地位

近幾年，分布式電源系統(tǒng)，包括隔離式AC/DC前端和多個非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器(有時也叫做非隔離式負載點(POL)轉(zhuǎn)換器)非常流行，甚至有人說是為板上半導體器件提供最終電壓的必不可少的方法?；诖祟愲娫聪到y(tǒng)的分布式特性日益顯著，而且行業(yè)內(nèi)對電源器件(例如SMBus)中的數(shù)字通信技術(shù)也比較熟悉，因此這類系統(tǒng)，尤其是DC/DC負載轉(zhuǎn)換器，理所當然成為數(shù)字化的一個理想選擇，從而可能好不驚奇地最先成為市場上的主流數(shù)字可編程電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

例如，大力支持PMBus協(xié)議的Artesyn就已經(jīng)在試銷一款帶PMBus的POL轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。該產(chǎn)品在電路設(shè)計師中好評如潮。盡管目前市場受專利訴訟的影響，相關(guān)的半導體開發(fā)一直保持快速進展，而且在數(shù)字技術(shù)展現(xiàn)魅力的系統(tǒng)級電源管理領(lǐng)域，電源轉(zhuǎn)換市場的其他區(qū)域的發(fā)展也相當活躍。

數(shù)字控制的硬件已出現(xiàn)

PMBus實現(xiàn)者論壇(PMBus Implementers Forum)目前列出了八家領(lǐng)先的半導體公司設(shè)計的多款數(shù)字電源管理芯片，每一款都具備符合PMBus協(xié)議的數(shù)字控制接口和詳盡的PMBus指令集。該論壇的成員都是赫赫有名的半導體公司，例如凌力爾特、美信集成電路、Primarion、Silicon Laboratories、TI和Zilker Labs。

圖3：Astec的DTX系列隔離式磚型電源產(chǎn)品采用帶擴展PMBus指令集的全數(shù)字設(shè)計

這些數(shù)字電源控制芯片的出現(xiàn)意味著智能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的用量正在增加，不過市場的起飛相對還比較慢。事實上，AC/DC電源采用數(shù)字接口進行監(jiān)控和報告結(jié)果已經(jīng)有幾年了。例如，許多服務器應用中的電源就采用了電源管理接口(PSMI)實現(xiàn)電壓、電流、溫度和風扇的監(jiān)控。由于PSMI已經(jīng)采用了SMBus進行通信，因而向基于PMBus的控制過渡，將數(shù)字控制的應用擴展至監(jiān)控之外，并用于實現(xiàn)由主系統(tǒng)進行的主動電源管理，也就成為自然而然的事情。此外，AD/DC電源也開始更多地利用數(shù)字接口進行配置和設(shè)置，ASTEC的iMP系列電源就是一個很好的例子，這些電源能提供強大的基于PMBus的可編程配置功能。

目前，人們普遍仍認為數(shù)字可編程電源和轉(zhuǎn)換器比相應的但不如它們靈活的模擬器件貴得太多，制造商們也一直在苦口婆心地解釋說這是由于早期產(chǎn)品以及對系統(tǒng)級電源的成本分析不全面而帶來的誤解。事實上，只要使用得當，新型智能電源所提供的先進的系統(tǒng)級控制功能反而能降低系統(tǒng)的整體成本。此外，關(guān)于數(shù)字控制的DC/DC磚型轉(zhuǎn)換器引腳排列標準(pin-out standard)，業(yè)內(nèi)還有爭議，如何在更小型的外形結(jié)構(gòu)上布置額外的信號線也是一項挑戰(zhàn)，人們擔心制造商要去哪里尋找這些額外的空間，尤其是在體積只有原來的1/16的時候。

然而，大多數(shù)產(chǎn)業(yè)分析師都預計智能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品即將開始快速發(fā)展。圖2給出了數(shù)字控制方面的發(fā)展預測圖，即使是最保守的一條上升曲線也預計，到2010年，數(shù)字控制的電源產(chǎn)品將占據(jù)整個市場的40%。這些增長圖是針對AD/DC電源和電信專用DC/DC轉(zhuǎn)換器的，但據(jù)預測，標準隔離式磚型DC/DC轉(zhuǎn)換器也有類似的變化，到2010年，數(shù)字控制的產(chǎn)品將占市場的35%~65%。

圖2：數(shù)字電源控制產(chǎn)品的增長曲線圖。

圖4：Artesyn的新型中間總線轉(zhuǎn)換器ATC210配備了I²C串行總線和直接高速接口用于監(jiān)控、報告和故障閥值的數(shù)字編程

圖5：Astec的iMP系列AC/DC智能電源具備強大的基于PMBus的編程和監(jiān)控功能

例如，在過去這一年，同屬于艾默生網(wǎng)絡(luò)電源的Astec Power和Artesyn就已經(jīng)推出了符合PMBus規(guī)范的DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC電源，以及I²C控制的中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)。數(shù)字控制發(fā)展成為電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的主流所要花的時間也許比人們預計的還要長，現(xiàn)在看來，將其看作正常的發(fā)展可能比將其看作革命性的發(fā)展更好一些。不過，要否認數(shù)字控制在電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品中的未來潛力還是需要很大勇氣的。