詳解電源管理總線（PMBus）數(shù)字電源開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

PMBus(電源管理總線)開放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義了一個(gè)用來控制功率轉(zhuǎn)換和管理器件的數(shù)字通信協(xié)議。在供電要求較復(fù)雜的系統(tǒng)中，通常使用多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同的半導(dǎo)體器件所需要的供電要求。導(dǎo)致一個(gè)明顯結(jié)果就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)測試及日常使用的過程中，控制和監(jiān)測這些電源將變得更加復(fù)雜。

目前，許多高性能DC/DC轉(zhuǎn)換器仍然通過無源元件產(chǎn)生的模擬信號(hào)來進(jìn)行控制。即使采用最先進(jìn)的電源電路拓?fù)?，也不得不使用外部的電位器和電容來調(diào)節(jié)諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出電壓值及開關(guān)頻率等參數(shù)，而且這些參數(shù)不能隨時(shí)更改。

PMBus是一種開放型標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電源管理協(xié)議。可通過定義傳輸和物理接口以及命令語言來實(shí)現(xiàn)變換器與其他設(shè)備的通信。PMBus的傳輸層是基于低成本的SMBus(系統(tǒng)管理總線)的1.1版本，這是個(gè)功能強(qiáng)健、符合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的I2C串行總線的版本，具有分組校驗(yàn)和主機(jī)通知的功能。

PMBus繼承了SMBus的SMBALERT信號(hào)，該信號(hào)可使從屬設(shè)備中斷系統(tǒng)主機(jī)對(duì)總線的控制，此方式一方面減少了系統(tǒng)主機(jī)的負(fù)擔(dān)，使主機(jī)在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行閉環(huán)控制;另一方面比用專門的微控制器來查詢的方式更靈活。此外，PMBus協(xié)議將從屬設(shè)備的默認(rèn)配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲(chǔ)器內(nèi)或者在硬件上設(shè)置好，在上電的過程中，不需通過總線通信來得到初始配置信息，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，也減少了一部分總線數(shù)據(jù)傳輸。除了SMBus的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)及中斷線之外，PMBus協(xié)議還規(guī)定了兩種與電源轉(zhuǎn)換設(shè)備共同使用的硬件信號(hào)，一個(gè)是與總線發(fā)出的命令共同使用的控制信號(hào)，用于啟動(dòng)和關(guān)閉單個(gè)從屬設(shè)備;另一個(gè)是可選的“寫保護(hù)”信號(hào)，用于防止更改從屬設(shè)備存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。

與其他總線不同的是PMBus的主控設(shè)備不是專門的集成電路，這給進(jìn)行電源管理的主控設(shè)備選型提供了靈活性。當(dāng)電源系統(tǒng)比較龐大時(shí)，可以采用PC機(jī)配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡來完成各種管理功能，而對(duì)于較小的電源系統(tǒng)則可以是單板上現(xiàn)成的微處理器、一些額外的低成本的微控制器或者是PLD器件中的一些門。在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，可以使用不同的設(shè)備作為PMBus的主機(jī)。在單板設(shè)計(jì)階段，一臺(tái)便攜式電腦可以作為總線主機(jī);而在產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用時(shí)，則使用板上主處理器中的一些硬件資源來控制PMBus總線。在開發(fā)階段，可以通過PMBus總線動(dòng)態(tài)修改從屬設(shè)備中的設(shè)定值和配置，對(duì)于不同的電源系統(tǒng)，可以借鑒相同的PMBus總線配置，只需修改某些特定數(shù)據(jù)。最終通過測試的設(shè)定值和配置通過寫保護(hù)功能永久保存在從屬設(shè)備的存儲(chǔ)器之中。圖1所示為一個(gè)基于PMBus的數(shù)字電源管理典型連接結(jié)構(gòu)圖。

圖1基于PMBus的數(shù)字電源管理典型連接結(jié)構(gòu)圖

PMBus的通信是按照一個(gè)簡單的命令集進(jìn)行的。每個(gè)數(shù)據(jù)包包含一個(gè)地址字節(jié)、一個(gè)命令字節(jié)、若干個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，以及一個(gè)可選的包檢驗(yàn)碼字節(jié)。圖2所示為一個(gè)主機(jī)到轉(zhuǎn)換器的信息傳輸。主機(jī)使用單獨(dú)的“開始”和“停止”來表明進(jìn)程開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨(dú)的位來確認(rèn)收到的每個(gè)字節(jié)。

圖2一個(gè)主機(jī)到轉(zhuǎn)換器的信息傳輸示意圖

與其他總線協(xié)議不同的是，PMBus總線不會(huì)等待專門的“執(zhí)行”命令，從屬設(shè)備在收到“停止”信號(hào)后，立即處理并執(zhí)行命令，符合電源管理的快速性要求。由于在開發(fā)之初就考慮到其開放性和超前性，PMBus總線協(xié)議支持的指令集可以提供兩個(gè)命令的擴(kuò)展，該擴(kuò)展可以有效地允許雙字節(jié)命令。一個(gè)擴(kuò)展留給PMBus設(shè)備的生產(chǎn)商，另一擴(kuò)展則由于協(xié)議本身的后續(xù)升級(jí)和修訂。實(shí)際應(yīng)用中，PMBus協(xié)議簡單實(shí)用的指令集使得電源管理程序的編寫更加快速、簡便。負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的電壓時(shí)序控制的實(shí)現(xiàn)就是很好的例子。上電時(shí)序控制對(duì)應(yīng)著有兩個(gè)PMBus命令，TON_DE2LAY命令設(shè)定了轉(zhuǎn)換器等待開始上電的時(shí)間，而TON_RISE則設(shè)定了從零增加到設(shè)定輸出值的時(shí)間。所以，用戶可以通過相關(guān)軟件即可對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)延遲和上升時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。同樣，對(duì)于掉電時(shí)序控制，也有對(duì)應(yīng)的掉電延遲命令TOFF_DELAY和下降時(shí)間TOFF_FALL設(shè)定。顯而易見，對(duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)的啟動(dòng)和掉電的時(shí)序控制通常只需要4個(gè)PMBus命令來設(shè)定。PMBus已經(jīng)得到了業(yè)界的認(rèn)可。