PMBus——數字電源開(kāi)放標準協(xié)議

　 
 
近年來(lái)，許多相關(guān)的因素導致對數字電源管理的需求急劇上升。許多板卡設計人員已經(jīng)轉向開(kāi)發(fā)中間總線(xiàn)電源結構，通過(guò)使用多個(gè)單板DC/DC轉換器來(lái)產(chǎn)生不同硅器件所需要的多樣化的電源要求。這導致一個(gè)很明顯的結果就是在產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)測試及日常使用的過(guò)程中，配置、控制及監控這些電源將變得更加的復雜。光是控制上電/下電時(shí)序就需要專(zhuān)門(mén)的可編程集成電路及大量的額外部件，更別說(shuō)用于靈活的系統級控制和診斷所需要的配置或實(shí)時(shí)反饋設施。

目前許多高性能的DC/DC轉換器仍是通過(guò)簡(jiǎn)單的無(wú)源元件產(chǎn)生的模擬信號來(lái)進(jìn)行設置和控制。即使具有最先進(jìn)電源轉換拓撲結構的高性能轉換器，也有可能需要使用外部調節電阻和電容來(lái)確定諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出點(diǎn)值及開(kāi)關(guān)頻率等參數。當然，這些參數沒(méi)有一個(gè)是可以在匆忙中更改的，因此自適應的電源管理方案也就不可能實(shí)現，更別說(shuō)推測性的電源管理方案。

除了一些專(zhuān)門(mén)用于微處理器（其以VID代碼的形式為輸出電壓控制提供有限的數字編程性）的轉換器之外，市場(chǎng)上大多數磚形轉換器、中間總線(xiàn)轉換器及負載點(diǎn)（Point of load）POL轉換器仍然是采用模擬控制的。對數字控制需求最為迫切的是非隔離負載點(diǎn)轉換器，因為這些轉換器廣泛用于板卡上并為器件提供最終電壓。然而，這個(gè)需求也適合于隔離轉換器，因此，毫無(wú)疑問(wèn)，設計者們希望能夠很快得到其他的數字可編程電源。


圖1：Artesyn Technologies的PMBus的展示套裝，包括一個(gè)具有8個(gè)可編程負載點(diǎn)
轉換器的USB驅動(dòng)的單板及一個(gè)電腦圖形用戶(hù)界面

造成這種現象的原因很簡(jiǎn)單：直到現在，業(yè)界對于數字電源管理還沒(méi)有達成共識。許多電源生產(chǎn)商已經(jīng)推出了數字可編程負載點(diǎn)轉換器，向解決這個(gè)問(wèn)題的方向邁進(jìn)了，但是轉換器是基于自主開(kāi)發(fā)的結構和半導體器件，因此開(kāi)發(fā)成本會(huì )比較高，這就需要從其他方面進(jìn)行補償，將顧客鎖定在狹窄的供應鏈及限制性的許可協(xié)議中。而且，由于硬件和軟件都是用于單一目的，因此這項技術(shù)就不可能被其他單板器件的生產(chǎn)商所使用。

什么是PMBus

PMBus是一種開(kāi)放標準的數字電源管理協(xié)議?？赏ㄟ^(guò)定義傳輸和物理接口以及命令語(yǔ)言來(lái)促進(jìn)與電源轉換器或其他設備的通信。該協(xié)議是由一群認為由于沒(méi)有合適的標準而抑制了全數字電源管理解決方案的發(fā)展的電源和半導體生產(chǎn)商共同建立的。目前，這個(gè)協(xié)議正在迅速地獲得業(yè)界的認可。今年3月，該協(xié)議的修正版1.0公之于眾，而其所有權也交由獨立的特別利益組織（SIG，即系統管理接口論壇），負責該標準的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。

值得注意的是PMBus 并不是一個(gè)針對AC/DC或DC/DC轉換器的標準。其并未規定波型因數、引出線(xiàn)等屬性（這些屬性由業(yè)界的聯(lián)盟組織POLA和DOSA來(lái)制定），也未解決電源之間的通信問(wèn)題（該問(wèn)題仍然由半導體和電源生產(chǎn)商負責）。

低成本實(shí)時(shí)控制

PMBus傳輸層是基于低成本SMBus (系統管理總線(xiàn))的1.1版本，這是個(gè)功能更為強健的業(yè)界標準I2C串行總線(xiàn)的版本，具有分組錯誤檢查和主機通知功能。I2C總線(xiàn)原來(lái)是由飛利浦電子公司開(kāi)發(fā)用于集成電路間通信的，而SMBus則被因特爾公司用于PC及服務(wù)器的通信系統管理。SMBus廣泛應用于基于 Intel技術(shù)的服務(wù)器上，為系統管理提供智能的外圍管理接口（IPMI）的物理層和傳輸層。

SMBus具有一個(gè)第三信號線(xiàn) SMBALERT，可以使從屬設備（如負載點(diǎn)轉換器）中斷系統主機或總線(xiàn)的控制，這種安排要比系統使用主機來(lái)不斷輪詢(xún)從機的方式更為靈活，而且其對主機處理器造成的負擔也更小，這就使得設計者們能夠更容易地實(shí)現事件驅動(dòng)的閉環(huán)控制方案。此外，PMBus 協(xié)議規定所有從屬設備必須將其默認的配置數據保存在永久性存儲器內或使用針腳編程，這樣它們在上電時(shí)無(wú)須再與總線(xiàn)通信。這樣系統啟動(dòng)時(shí)間大大少于市場(chǎng)上的其他數字控制解決方案。該解決方案要求控制總線(xiàn)對所有的從屬設備進(jìn)行配置以作為上電初始化程序的一部分。

每個(gè)從屬設備的物理地址是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的針腳來(lái)定義的。硅生產(chǎn)商可以提供各種各樣的創(chuàng )新方案，如3種狀態(tài)的針腳和電阻阻值編程等。除了SMBus的時(shí)鐘、數據及中斷線(xiàn)之外，PMBus協(xié)議還規定了兩種與電源轉換設備共同使用的硬件信號，一個(gè)是與總線(xiàn)發(fā)出的命令共同使用的控制信號，用于啟動(dòng)和關(guān)閉單個(gè)從屬設備：另一個(gè)是可選的“寫(xiě)保護”信號，可用于防止更改存儲器中的數據。典型實(shí)例如圖2所示。 SMBus 使用有線(xiàn)的“與”（邏輯電路）連接到總線(xiàn)上的所有設備，以便在總線(xiàn)上的設備發(fā)生沖突時(shí)做出裁決，這在電氣方面與I2C總線(xiàn)相似。


圖2：基于PMBus的數字電源管理的典型連接

與其他的電源管理結構不同，PMBus 有一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)，即主控設備不是基于自主設計的硅，也不作為一個(gè)轉換器。主機與電源之間的所有通信都是通過(guò)總線(xiàn)來(lái)完成的。這就節省了執行成本以及提供一個(gè)更為靈活的控制方法。主機可以是系統現有的處理器、一個(gè)低成本的通用微控制器或FPGA中的一些門(mén)，當然也可以是在不同時(shí)期的不同的器件。例如，在單板設計階段，一臺便攜式電腦可以當做一個(gè)主機，然后在生產(chǎn)測試時(shí)，主機也可以由自動(dòng)測試設備來(lái)?yè)?，以便全面核?shí)單板的性能，如有必要，可動(dòng)態(tài)更改單個(gè)電源轉換設備的運行參數以適應單板上硅的需求。最終通過(guò)測試選擇的數值可以保存在從機的永久存儲器里。

簡(jiǎn)單的命令語(yǔ)言

PMBus 的通信是按照一個(gè)簡(jiǎn)單的命令集進(jìn)行的。每個(gè)包包含一個(gè)地址字節，一個(gè)命令字節，零個(gè)、一個(gè)或多個(gè)數據字節，以及一個(gè)可選的包錯誤碼（PEC）字節。圖3顯示了一個(gè)典型的主機到從機的信息傳輸，主機使用單獨的“開(kāi)始”和“停止”來(lái)表明進(jìn)程的開(kāi)始和結束。而從屬設備則使用單獨的位來(lái)確認收到的每個(gè)字節。為了減少響應時(shí)間及處理器開(kāi)銷(xiāo)，從機在收到“停止”信號時(shí)立即處理并執行命令，其不同于許多其他的總線(xiàn)協(xié)議，PMBus不會(huì )被迫等待單獨的“執行”命令。



圖3：標準主從通信順序

當該協(xié)議的一字節命令代碼表示可能有多達256條命令可用時(shí)，這并不表示PMBus 設備要支持所有的命令，實(shí)際上許多設備只需使用很小的一部分命令子集來(lái)達到預定的目的。由于對該標準的“未來(lái)驗證” 得到相當的重視，因此其可提供兩個(gè)命令擴展，這兩個(gè)命令擴展可以有效地允許雙字節命令。一個(gè)擴展是留給PMBus設備生產(chǎn)商自用的，另一個(gè)擴展是用于對該協(xié)議的后續修訂。 

實(shí)施簡(jiǎn)易

PMBus協(xié)議豐富的命令集使設計者們可以編寫(xiě)簡(jiǎn)易而有效的電源管理程序，容易而快速地執行設計方案。負載點(diǎn)轉換器的電壓時(shí)序控制提供了一個(gè)理想的范例。至今，許多設計者們都選擇使用市場(chǎng)上一些高性能的專(zhuān)用IC來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。他們都接受這樣一個(gè)事實(shí)，即要完成電壓時(shí)序控制，就要使用IC生產(chǎn)商提供的軟件來(lái)開(kāi)發(fā)程序，而專(zhuān)用IC等器件也要占用單板上的寶貴空間。而直接采用PMBus控制的轉換器則提供了一個(gè)更經(jīng)濟靈活的解決方案，使得在產(chǎn)品的使用壽命內的任何時(shí)間點(diǎn)，都可以更改各種運行參數，以適應工程更改的需求。

負載點(diǎn)轉換器的上電時(shí)序控制只需要兩個(gè)PMBus命令，如圖4所示。TON_DELAY設定了轉換器等待開(kāi)始上電的時(shí)間，而TON_RISE 則設定了從零增至最終編程數值的時(shí)間。用戶(hù)只需要對每個(gè)轉換器編程它的啟動(dòng)延遲時(shí)間和啟動(dòng)上升時(shí)間。同樣地，對于掉電時(shí)序控制，只需要兩個(gè)命令TOFF_DELAY和TOFF_FALL。


圖4：?jiǎn)?dòng)/關(guān)閉通常只需要4個(gè)PMBus命令

電壓余量是數字可編程轉換器讓設計者和生產(chǎn)測試人員覺(jué)得輕松簡(jiǎn)易的另一個(gè)領(lǐng)域?，F在許多單板生產(chǎn)商在面對供電電壓的小差異時(shí)，都使用這一技術(shù)來(lái)評估集成電路的性能。作為正常生產(chǎn)測試進(jìn)程的一部分，任何邊緣的或低于規格的器件都可以進(jìn)行更換，以免其成為昂貴的、難以更正的廢品。至今，電壓余量測試已經(jīng)成為一項高重復性和耗時(shí)的程序，這項工作要將不同數值的電阻器裝入DC/DC轉換器中，以便使其輸出電壓與標稱(chēng)值僅偏差幾個(gè)百分點(diǎn)。通過(guò)使用符合PMBus協(xié)議的負載點(diǎn)轉換器，這個(gè)過(guò)程變得極為簡(jiǎn)單，只要使用僅僅兩個(gè)命令（VOUT_MARGIN_HIGH和VOUT_ MARGIN_LOW），每個(gè)轉換器就可以傳輸緊密控制的測試電壓，而單板性能的效果也得到監控。這樣做可以減少生產(chǎn)測試時(shí)間，有助于消除不確定性，以及獲得清楚的測試記錄結果。

業(yè)界的認可

PMBus協(xié)議已經(jīng)獲得了確保其成功所需要的動(dòng)力。該協(xié)議是在2004年10月由兩家世界領(lǐng)先的電源公司Artesyn Technologies和Astec Power，以及六家以上的世界領(lǐng)先半導體生產(chǎn)商共同建立的。隨后電源生產(chǎn)商的POLA和DOSA聯(lián)盟組織認可了這個(gè)標準，許多大型的電源公司也都在開(kāi)發(fā)符合該標準的產(chǎn)品。

今年已有一些公司和研究機構發(fā)布了支持PMBus協(xié)議的幾個(gè)產(chǎn)品，德州儀器、Intersil、Zilker實(shí)驗室及Silicon 實(shí)驗室都發(fā)布了符合PMBus協(xié)議的電源管理半導體產(chǎn)品。Artesyn現在正在發(fā)布其第一批符合PMBus 標準的負載點(diǎn)轉換器，接下來(lái)將是其他與PMBus兼容的電源轉換產(chǎn)品，其具有更高的集成度和更多可編程性。