電源系統(tǒng)通信推動數(shù)字電源發(fā)展

電源系統(tǒng)通信推動數(shù)字電源發(fā)展     電源總線標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)數(shù)控電源管理。

電源子系統(tǒng)目前正在越來越多地集成到整個系統(tǒng)中。電源子系統(tǒng)已經(jīng)從單獨的"必不可少的危險裝置"轉(zhuǎn)變成可監(jiān)控的子系統(tǒng)。當(dāng)今的系統(tǒng)已經(jīng)開始將電源子系統(tǒng)視為可控制的外設(shè)來對待。這些系統(tǒng)控制的電源子系統(tǒng)帶來了諸多優(yōu)勢，如：節(jié)電、排序及裕度調(diào)整。隨著最近對數(shù)字電源管理功能的重視，系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)之間通信的標(biāo)準(zhǔn)化也更加重要。新的 PMBus（電源管理總線）通信協(xié)議已經(jīng)開發(fā)成功，用于系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)之間的主板和支架 (board-and-shelf) 通信。

電源通信

SMBuss （系統(tǒng)管理總線）是第一批電源子系統(tǒng)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的一個，該標(biāo)準(zhǔn)最初基于 Intel 的 I2C 系統(tǒng)管理總線，但是現(xiàn)在受新創(chuàng)建的 SM-IF（系統(tǒng)管理接口論壇）管理。SMBus 定義了多主機協(xié)議，以滿足在不同時間采集主控設(shè)備狀態(tài)的系統(tǒng)主機和電池產(chǎn)生的電池管理需求。目標(biāo)是擁有這樣的系統(tǒng)：能夠由系統(tǒng)控制智能電池的電極 (pole)，但是仍然允許電池"請求"幫助和配置充電器。該定義還包括"總線禮節(jié) (bus etiquette)"，如總線 hog 限制及其他超時情況 (time-out)。該協(xié)議還解決了許多用戶問題，如用戶在沒有系統(tǒng)通知的情況下進行的自發(fā)的電池斷路。為了強化協(xié)議，還提供了數(shù)據(jù)包糾錯 (Packet Error Checking)。該選項在每個通信數(shù)據(jù)包末尾包含一個單字節(jié)代碼 PEC。PEC 是一個 8 位 CRC（循環(huán)冗余校驗）。目標(biāo)是擁有這樣的系統(tǒng)：能夠由系統(tǒng)控制智能電池的電極 (pole)，但是仍然允許電池"請求"幫助和配置充電器。該定義還包括"總線禮節(jié) (bus etiquette)"，如總線 hog 限制及其他超時情況 (time-out)。該協(xié)議還解決了許多用戶問題，如用戶在沒有系統(tǒng)通知的情況下進行的自發(fā)的電池斷路。為了強化協(xié)議，還提供了數(shù)據(jù)包糾錯 (Packet Error Checking)。該選項在每個通信數(shù)據(jù)包末尾包含一個單字節(jié)代碼 PEC。PEC 是一個 8 位 CRC（循環(huán)冗余校驗）。

本地電源通信當(dāng)前使用的另一個標(biāo)準(zhǔn)是智能平臺管理接口 (IPMI)。雖然不是為電源通信而專門設(shè)計，但在和電源管理相關(guān)的許多方面 IPMI 都有用到。與 PMBus 與 SMbus 一樣，IPMI 也是基于 I2C 的，但是只支持主機模式寫入 (Master Mode Write) 而非重啟來更改數(shù)據(jù)總線方向。IPMI 還比 SMBus 進行更多的會話。設(shè)備需要請求信息或發(fā)送響應(yīng)。通信數(shù)據(jù)包的第一部分是連接報頭。該部分包括設(shè)備地址。該設(shè)備將接收數(shù)據(jù)包與信息，以識別數(shù)據(jù)包的功能。數(shù)據(jù)包的第二部分首先是發(fā)送數(shù)據(jù)包的設(shè)備地址，然后是命令和數(shù)據(jù)。每個段的最后部分是校驗和，以幫助檢測通信問題。

現(xiàn)隸屬于 SM-IF 的 PMBus SIG（特殊利益集團）已采用 SMBus 1.1 作為通信協(xié)議使用。電源和電池管理之間除了通用總線之外還具有許多共同利益。PMBus 確實通過為典型工作采用單個主機簡化了協(xié)議。盡管它允許主機通知，但是典型應(yīng)用中的 PMBus 電源設(shè)備在大部分應(yīng)用中屬于典型的 PMBus"從設(shè)備"。PMBus 利用 SMBus 告警線路向主機發(fā)送信號，通知電源設(shè)備需要注意。電池組應(yīng)用一般不采用 SMBus 報警功能，而是依靠多主機方法及電池廣播功能實現(xiàn)主機通知。當(dāng) PMBus 設(shè)備宣布 PMBus 告警線路之后，該設(shè)備將確認(rèn) PMBus 告警響應(yīng)地址 (ARA)。當(dāng)找到 ARA 之后，告警從屬設(shè)備將把其地址以接收字節(jié)順序放置在數(shù)據(jù)字段中。PMBus SIG 已經(jīng)選擇 ARA 方法來降低與主機通知相關(guān)的復(fù)雜性及相應(yīng)成本。

PMBus 規(guī)范還包括用于每個從設(shè)備的可選控制信號 PMBus Control。此信號可啟用或禁用電源轉(zhuǎn)換器的輸出。使

用此控制信號的系統(tǒng)需要一個專用的連接，將主機連接至各個從設(shè)備或連接至需要這一控制級別的從設(shè)備組。盡管這肯定會增加至電源管理的信號走線，但是在需要快速關(guān)斷的系統(tǒng)中可能會需要此接口。

如果 PMBus 必須一次與一組設(shè)備而不是全部設(shè)備通信，還會產(chǎn)生另一個問題。例如，如果系統(tǒng)需要同時啟動三個電源轉(zhuǎn)換器，則所有三個轉(zhuǎn)換器都必須接收到同一個命令，以便支持它們各自的輸出。在一個通信包內(nèi)使用重復(fù)的啟動可以執(zhí)行此功能。每個設(shè)備被逐個單獨尋址，但是設(shè)備間的通信不會發(fā)送停止位。當(dāng)配置完所有設(shè)備之后，再發(fā)送停止位，以便"觸發(fā)"該操作。另一種方法是使用 PMBus Control 行，以便一次性啟用所有電源上的輸出。

隔離通信

在某些電源應(yīng)用中，通信線路必須跨越隔離邊界。圖1顯示了適用于雙向通信線路的光隔離電路。這種方法可用于 PMBus 數(shù)據(jù)或時鐘線路。PMBus 數(shù)據(jù)線路是雙向的，因為從設(shè)備在必須知道該數(shù)據(jù)。



其他接口線路也可以是雙向的。用于所有三條總線的時鐘線路可能需要是雙向的，例如，如果系統(tǒng)需要從設(shè)備進行時鐘伸展（clock stretching），則三條總線的時鐘線路就需要采用雙向線路。當(dāng)從設(shè)備需要更多時間來接收數(shù)據(jù)位時，或在其他情況中，需要時間以確定是否應(yīng)知道命令時，會出現(xiàn)時鐘伸展。在跨越隔離邊界的多主機設(shè)計中，時鐘線路始終是雙向的。

SMBAlert 線路和 PMBus Control 線路都不是雙向的。從設(shè)備控制 SMB 告警線路，不需要知道其他設(shè)備是否正在向某些設(shè)備發(fā)出警報。當(dāng)主機設(shè)備已經(jīng)知曉告警狀態(tài)，告警的從設(shè)備將使 SMB 告警線路進入工作狀態(tài)。PMBus Control 線路將主機設(shè)備連接到一個或多個從設(shè)備上。

同步降壓型 PMBus 示例

除了處理系統(tǒng)級電源管理通信之外，PMBus 還可以管理電源子系統(tǒng)自身內(nèi)部的電源控制。圖2說明了一個采用PMBus 通信的簡化的降壓轉(zhuǎn)換器。示例中出現(xiàn)的可選的總線保護電路適用于 PMBus 不起作用 (go off-board) 的情況。大多數(shù)情況下，不需要可選電路。微控制器 或 DSP 可監(jiān)控各種模擬輸入，其中包括 Vin、Vout、平均電流及溫度。目前的電流測量方法是采用電感器的ESR（等效串聯(lián)電阻）提供的信息以及由采用熱敏電阻的數(shù)字控制器測量與提供的溫度信息--熱敏電阻用于彌補溫度引起的阻抗變化。在測量電流強度與溫度的過程中，數(shù)字控制器可以在允許的范圍內(nèi)操作電源轉(zhuǎn)換器。使用 PMB 告警線路，控制器可通知系統(tǒng)狀態(tài)是否接近工作極限。PMBus控制線連接到數(shù)字控制器中的中斷輸入。這樣，設(shè)計人員可以對數(shù)字控制功能進行編程，來提高其采取適當(dāng)措施的速度。在任何情況下，電源都必須是可靠的，能夠保護自己。新一代的數(shù)字電源設(shè)備 UCD7K 已經(jīng)集成了以全時模式保護功率級的安全電路。此外，這些專用驅(qū)動器還集成了許多特殊的功能，如偏置調(diào)節(jié)器 (bias regulator) 及運算放大器等，以便為數(shù)字控制器供電，并幫助進行信號調(diào)節(jié)。



圖中的數(shù)字控制器具有適當(dāng)?shù)腜WM分辨率來進行穩(wěn)壓，0.1％ 或更高水平。當(dāng)這種能力與 PMBus 命令集相結(jié)合時，系統(tǒng)就會適應(yīng)實時響應(yīng)。面向電源控制的數(shù)字控制器新家族成員 UCD9K 現(xiàn)已推出。這些數(shù)字控制器擁有非常高的 PWM 分辨率，不需要以非常高的頻率運行系統(tǒng)時鐘。此外，它們還擁有 PMBus 支持。數(shù)字方式的閉環(huán)優(yōu)勢是，數(shù)字控制可以選擇預(yù)先配置的適合當(dāng)前工作要求的環(huán)路補償方程。這些環(huán)路補償方程可以在制造期間配置，或者可以實時調(diào)節(jié)。無論采用哪一種方法，PMBus 都能提供可完成這項任務(wù)的通信方法。

應(yīng)使用適當(dāng)?shù)耐ㄐ趴偩€進行電源控制與配置，以便滿足特定需要。盡管有一些標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足少量電源通信要求，但是電源獨一無二的要求需要某種程度的修改。此外，類似于電池管理，電源必須自身提供全時保護。我們定義了 PMBus，以滿足電源通信的要求。它不僅滿足了在制造過程中進行配置和通信的需要，而且還提供了與電源解決方案進行通信的系統(tǒng)，而不會引發(fā)大量的開銷。PMBus 將會顯著加速數(shù)字電源的普及。