[數(shù)字電源系列文章]數(shù)字電源監(jiān)視和遙測

● 優(yōu)化

● 預(yù)見性維護

● 故障檢測

在這我們來看看一種典型的POL內(nèi)部架構(gòu)，并研究其對電源系統(tǒng)設(shè)計的影響。

POL內(nèi)部架構(gòu)

圖1示出了具有3個主要功能塊的簡化POL。

● 監(jiān)控器

● 監(jiān)視器

● 數(shù)字處理單元

數(shù)字處理單元是“大腦”（未示出的是內(nèi)核電源轉(zhuǎn)換）。數(shù)字處理單元負責(zé)處理PMBus和CONTROL輸入，并把POWER_GOOD和FAULT/置為有效。

大多數(shù)器件都具有多個這樣的POL，不過為簡單起見，我們可以插入輸入和輸出。

圖1：POL結(jié)構(gòu)

監(jiān)控

監(jiān)控電路是一個快速動作的單通道比較器或窗口比較器。一般地，輸出會繞過數(shù)字處理單元中的狀態(tài)機，并能直接阻止電源轉(zhuǎn)換并把FAULT/置為有效。數(shù)字處理單元之后被更新，這樣PMBus主機便能查詢器件的故障寄存器。

監(jiān)控器的用途是保護負載和器件，因此它會通過適當(dāng)犧牲準(zhǔn)確度來換取速度的提升。HI/LO數(shù)值通常存儲于非易失性只讀存儲器(NVROM)之中，或者由PMBus通過諸如VOUT_UV_FAULT_LIMIT等命令來編程。另外，故障行為特性也被存儲在NVROM中，并且包括像“重試”、“重試之間的延遲”等。

監(jiān)視

監(jiān)視是一種通過ADC實現(xiàn)的高準(zhǔn)確度測量。數(shù)字處理單元通常作為一個狀態(tài)機或軟件環(huán)路(其負責(zé)輪詢ADC輸出數(shù)據(jù)并使之可為PMBus所用)來實現(xiàn)。此外，監(jiān)視數(shù)據(jù)也可在一個非常準(zhǔn)確的數(shù)字處理單元伺服環(huán)路中使用，以改善輸出準(zhǔn)確度。

故障

故障會因監(jiān)控器或監(jiān)視器而起。對于監(jiān)控器，DAC給比較器提供一個基準(zhǔn)，而輸出則直接饋電至FAULT/引腳。而對于監(jiān)視器，數(shù)字處理單元采用一個數(shù)字比較器或者至數(shù)字處理單元FAULT/引腳的軟件條件指令。

權(quán)衡折衷

POL設(shè)計師所做的折衷相當(dāng)直觀明了。安全性規(guī)定了哪些輸入和輸出具有監(jiān)控器。監(jiān)視方面的權(quán)衡則涉及準(zhǔn)確度(因為ADC占用電路板面積資源且消耗功率)、以及通道的數(shù)目和多路復(fù)用器等。

作為系統(tǒng)設(shè)計師，他必須考慮其系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)的目的、以及它必須具有多高的準(zhǔn)確度。例如，典型用途如下：

● 系統(tǒng)開發(fā)與運行狀況檢驗和調(diào)試

● 效率監(jiān)視

● 能耗監(jiān)測

● 故障預(yù)測

● 優(yōu)化(局部和全局)

● 準(zhǔn)確度提升(伺服)

實例

每種電源架構(gòu)都有其與眾不同之處，并不存在一組通用的折衷，因此我準(zhǔn)備舉幾個采用監(jiān)控器和監(jiān)視器的實例以啟發(fā)您的想象力。此外，當(dāng)了解到相關(guān)的可能性時，您或許會發(fā)現(xiàn)一種競爭優(yōu)勢。

監(jiān)控器故障發(fā)生實例

該實例取自LTC2974，這款監(jiān)控/監(jiān)視器件可管理4個POL。其所負責(zé)的一個POL的輸出電壓具有一個基于窗口比較器的監(jiān)控器。

圖2：監(jiān)控器產(chǎn)生的故障

掃跡4是該器件的FAULT/引腳，而掃跡3則是該器件的ALERT/引腳。我把輸出短路至地。在該器件上，接地與FAULT/電平走低之間的延遲大約為12μs。在非常短的時間之后，我們還使一個ALERT/拉至低電平。這些都是非?？焖俚?，因為監(jiān)控器繞過了監(jiān)視較慢ADC所需的全部狀態(tài)機，并直接產(chǎn)生故障。另外，它還停止了電源轉(zhuǎn)換。

來看一下PMBus，PMBus主機完成了一項報警響應(yīng)地址(ARA)事務(wù)。地址0x0C被置于該總線上，而出故障的器件則把地址0x64放在總線上。主機將此右移一位以獲得地址0x32。接著，主機通過把地址0x32放置在總線上(后隨命令字節(jié)0x79)來讀取故障寄存器的存儲信息。然后，一個具有地址0x32的重復(fù)起動信號被置于總線上，并送回兩個數(shù)據(jù)字節(jié)以提供一個0x8041的狀態(tài)字。

圖3：故障字位

查看該器件的數(shù)據(jù)表，其指出將發(fā)生欠壓故障。

另外，我們也可以利用一種外部工具對此進行觀察，該工具可顯示器件的寄存器和狀態(tài)。

圖4：故障狀態(tài)

還記得我的另一篇文章中提出的使用模型嗎?

監(jiān)控器引起了一個支持兩種模型的故障。其可由PMBus或一種外部工具來處理。

(注：我們將在今后的文章中看到這種設(shè)計的實現(xiàn)方案，但基本上ALERT/引腳連接至一個微控制器中斷。)

溫度監(jiān)視實例

許多器件都能夠利用一個二極管來監(jiān)視內(nèi)部芯片溫度和外部溫度。在本例中(LTC3880)，我有一個電路板管理器，其負責(zé)通過PMBus來監(jiān)視電源軌，并具有一個LCD觸摸屏顯示器。

圖5：溫度監(jiān)視

遙測曲線圖示出了內(nèi)部芯片溫度。當(dāng)我把手指放在器件上而且它冷卻時，曲線圖中出現(xiàn)了凹陷。曲線圖上的最小值和最大值分別為30℃和40℃。由圖可見，測量結(jié)果相當(dāng)不錯。

器件將采用這種溫度監(jiān)視電路來保護自身，但其亦可用于檢測更加細小的問題。如果您添加一個I²C溫度監(jiān)視器件，并把傳感器布設(shè)在一塊介于傳感器和所有PMBus器件之間的PCB周圍，就能很好地了解電路板的工作狀況。您可

以借此來平衡溫度(通過控制負載)，標(biāo)定系統(tǒng)在不同負載條件下的特性，或者簡單地向系統(tǒng)操作員發(fā)送一條警告消息，這樣他們就能將有問題的電路板換下并送去維修。

對于效率也可采取相同的做法。通過測量輸入和輸出電壓及電流，您可以在執(zhí)行中計算電源效率，并運用該信息來實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化(通過轉(zhuǎn)移工作負載以使轉(zhuǎn)換器更接近于其最佳效率)。另外，您也可以注意發(fā)現(xiàn)那些反常的模式，這或許能幫助您在問題發(fā)生之前及時地加以檢測。電路板管理器通常都具有通信接口，可為您發(fā)出此類通知。

自主型與受管型系統(tǒng)

我想把這些性能參數(shù)放入使用模型的環(huán)境中：

在我的前一篇文章中我提出了兩種使用模型：

1. 配置(Configure)和部署(Deploy)

2. 監(jiān)視(Monitor)和運作(Act)

另一種對此進行描述的方法是“自主型與受管型”系統(tǒng)。在自主型系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換器的上電和運作完全獨立于PMBus，與模型1很相似。受管型系統(tǒng)則主動地采用PMBus，這與模型2十分相像。

這些模型具有不同的性能特點。PMBus自身的性能受限于400Hz(典型值)總線時鐘。監(jiān)控性能與PMBus無關(guān)，無論在數(shù)字處理單元中作為一個模擬比較器和直接邏輯抑或是較慢邏輯來實現(xiàn)。

在受管型系統(tǒng)中(例如：Monitor和Act)，Act部分具有與自主型系統(tǒng)相同的性能，直到PMBus位于一個由主機管理的決策環(huán)路中為止。當(dāng)主機必須讀取遙測數(shù)據(jù)以及對器件實施某種功能或參數(shù)變更時，性能通常受限于PMBus。

另外，托管系統(tǒng)性能也有著很大的不同，因為主機必須管理多個電源軌(電源軌的數(shù)量取決于系統(tǒng)架構(gòu))。假設(shè)讀取一個數(shù)值及對應(yīng)地變更一個數(shù)值需要200μs的時間(400kHz總線)。然后假定我在主機的控制環(huán)路中有10個電源軌，這樣所需的時間即為2ms。現(xiàn)在，增設(shè)幾顆用于監(jiān)視溫度的I²C芯片。在與PMBus無關(guān)的主機中添加其他的功能，最終系統(tǒng)的響應(yīng)時間比數(shù)字處理單元慢。此外，如果由于某些較慢的I²C器件的原因而以100kHz的頻率運行總線，則響應(yīng)速度將變得更慢。

正因為如此，我們采用了混合式使用模型，其中關(guān)鍵性的功能全部由數(shù)字處理單元(和快速監(jiān)控器)來處理，并且不依賴于PMBus，而較高級的功能(例如：能耗和故障預(yù)測)則由一個PMBus主機來操控。

由于同樣的原因，當(dāng)不需要較高級的功能時，器件完全可以自行運作，而PMBus是一個用于配置工具的使能器。特別地，PMBus工具對于電路板開發(fā)與運行狀況檢驗是非常有用的。這種工具以儀表板格式來顯示系統(tǒng)所有電源軌的狀態(tài)：遙測、故障和設(shè)定值。

回顧

大多數(shù)數(shù)字電源器件都具有監(jiān)控器和監(jiān)視器。我已經(jīng)將監(jiān)控器作為一種快速動作安全器件，以及把監(jiān)視器作為一種用于遙測的采樣器件進行了特性分析。這雖然是一種適合分類的簡便方法，但對于術(shù)語的使用應(yīng)謹慎從事，特別是關(guān)于監(jiān)控器和故障。有的時候，“監(jiān)控器”這個詞語被用于一種采用來自監(jiān)視器之?dāng)?shù)據(jù)的故障發(fā)生方法，因此