電源系統通信支持數字電源發(fā)展
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
簡(jiǎn)介
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/176745.htm電源子系統目前正在越來(lái)越多地集成到整個(gè)系統中。電源系統已經(jīng)從單獨的必不可少的危險裝置轉變成可監控的子系統。當今的系統已經(jīng)開(kāi)始將電源子系統視為可控制的外設來(lái)對待。這些系統可控制的電源子系統可以實(shí)現諸多優(yōu)勢，如節電、排序及裕度調整等。然而，系統設計人員與電源設計人員必須創(chuàng )建他們自己的用戶(hù)方案，因為尚無(wú)任何行業(yè)標準作為指導。隨著(zhù)最近對數控電源解決方案的重視，擁有面向電源子系統的標準化系統通信解決方案變得更加重要。新的 PMBus（電源管理總線(xiàn))、通信協(xié)議已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，用于系統與電源子系統之間的主板和支架 (board-and-shelf) 通信。本文討論了使用 PMBus 時(shí)的設計要求。還將舉例討論標準的電源子系統通信解決方案，從而使我們輕松了解 PMBus 的優(yōu)勢。
電源解決方案的通信
SMBus 是第一批電源子系統通信行業(yè)標準中的一個(gè)。組織將該總線(xiàn)定義為智能電池系統 (Smart Battery System，SBS) ，即存取總線(xiàn) (Access bus) 的擴展。存取總線(xiàn)基于具有地址限制的 I2C 總線(xiàn)之上。SMBus 解決方案定義了多主機協(xié)議，以滿(mǎn)足電池管理要求。多主機要求是因為系統主機及電池會(huì )在不同時(shí)間進(jìn)入主機狀態(tài)。目標是擁有這樣的系統：能夠由系統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(xiàn)禮節 (bus etiquette)，如總線(xiàn) hog 限制及其他超時(shí)情況 (time-out)。該協(xié)議還解決了許多用戶(hù)問(wèn)題，如用戶(hù)在沒(méi)有系統通知的情況下進(jìn)行的自發(fā)的電池斷路。為了強化協(xié)議，還提供了數據包糾錯 (Packet Error Checking)。該選項在每個(gè)通信數據包末尾包含一個(gè)單字節代碼 PEC。PEC 是一個(gè) 8 位 CRC（循環(huán)冗余校驗）。
本地電源通信當前使用的另一個(gè)標準是智能平臺管理接口 (IPMI)。雖然不是為電源通信而專(zhuān)門(mén)設計，但在和電源管理相關(guān)的許多方面 IPMI 都有用到。與 SMbus 一樣，IPMI 也是基于 I2C 的，但是只支持主機模式寫(xiě)入 (Master Mode Write) 而非重啟來(lái)更改數據總線(xiàn)方向。IPMI 還比 SMBus 進(jìn)行更多的會(huì )話(huà)。設備需要請求信息或發(fā)送響應。通信數據包的第一部分是連接報頭。該部分包括設備地址。該設備將接收數據包與信息，以識別數據包的功能。數據包的第二部分首先是發(fā)送數據包的設備地址，然后是命令和數據。每個(gè)段的最后部分是校驗和，以幫助檢測通信問(wèn)題。
PMBus 特殊利益集團 (SIG) 已經(jīng)選擇將 SMBus 1.1 作為通信協(xié)議使用。作為決策的一部分，PMBus SIG 加入了 SBS 組織。除了公共總線(xiàn)之外，電源與電池管理之間還有許多共同利益。PMBus 確實(shí)通過(guò)采用單個(gè)主機簡(jiǎn)化了協(xié)議。
表 1、有關(guān)電源使用的通用協(xié)議考慮事項
| PMBus 1.0 | SMBus 1.1 | IPMI 1.5 | |
| 通信類(lèi)型 | 來(lái)源于 I2C，SMBus 1.1 單個(gè)主機 | 來(lái)源于 I2C，10KHz 到 100KHz 時(shí)鐘 | 來(lái)源于 I2C，只支持 I2C 主機寫(xiě)入操作 |
| 錯誤檢測 | 可選 PEC | 可選 PEC | 校驗和 |
| 當前規范版本 | V 1.0 | V 2.0 | V 2.0 |
| 告警方式 | SMBAlert | SMBAlert，主機通知協(xié)議 (Host Notification Protocol) | 到事件接收器的事件通知 |
| 用于兩字節傳輸與錯誤檢測的總線(xiàn)流量 | 6 字節 | 6 字節 | 7 字節請求9 字節響應總共 16 字節 |
主機設備可能有多個(gè)，但是我們將 PMBus 電源設備定義為從屬。PMBus 利用 SMBus 告警線(xiàn)路向主機發(fā)送信號，通知電源設備需要注意。SMBus Alert 通常不用于電池組 (battery pack) 應用程序中。電池應用程序已經(jīng)關(guān)閉了多主機方法和用于主機通知的電池廣播。當 PMBus 設備宣布 PMBus 告警線(xiàn)路之后，該設備將確認 PMBus 告警響應地址 (ARA)。當找到 ARA 之后，告警從屬設備將把其地址以接收字節順序放置在數據字段中。PMBus SIG 已經(jīng)選擇 ARA 方法來(lái)降低與主機通知相關(guān)的復雜性及相應成本。
PMBus 規范還包括用于每個(gè)從設備的可選控制信號 PMBus Control。這個(gè) Control 信號可啟用或禁用電源轉換器的輸出。使用此控制信號的系統需要一個(gè)專(zhuān)用的連接，將主機連接至各個(gè)從設備或連接至需要這一控制級別的從設備組。盡管這肯定會(huì )增加至電源管理的信號走線(xiàn)，但是在需要快速關(guān)斷的系統中可能會(huì )需要此接口。
另一個(gè) PMBus 問(wèn)題是到設備組的通信（但不是同時(shí)到所有設備）。例如，如果系統需要同時(shí)啟動(dòng)三個(gè)電源轉換器，則所有三個(gè)轉換器都必須接收到同一個(gè)命令，以便支持它們各自的輸出。在一個(gè)通信包內使用重復的啟動(dòng)可以執行此功能。每個(gè)設備被逐個(gè)單獨尋址，但是設備間的通信不會(huì )發(fā)送停止位。當配置完所有設備之后，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
在某些電源應用中，通信線(xiàn)路必須跨越隔離邊界。圖 1 顯示了適用于雙向通信線(xiàn)路的光隔離電路。這種方法可用于 PMBus 數據或時(shí)鐘線(xiàn)路。PMBus 數據線(xiàn)路是雙向的，因為它是用于 SMBus 或 IPMI 的同一條線(xiàn)路。即使 IPMI 只使用主機寫(xiě)入 (Master Write) 模式，從設備也必須知道該數據，因此這就要求數據是雙向的。
其他接口線(xiàn)路也可能是雙向的。用于所有三條總線(xiàn)的時(shí)鐘線(xiàn)路可能需要是雙向的。如果需要從設備進(jìn)行時(shí)鐘伸展，則時(shí)鐘線(xiàn)路是雙向的。當從設備需要更多時(shí)間來(lái)接收數據位時(shí)，或在其他情況中，需要時(shí)間以確定是否應知道命令時(shí)，會(huì )出現時(shí)鐘伸展。在跨越隔離邊界的多主機設計中，時(shí)鐘線(xiàn)路始終是雙向的。
SMBAlert 線(xiàn)路和 PMBus Control 線(xiàn)路都不是雙向的。從設備控制 SMB 告警線(xiàn)路，不需要知道其他設備是否正在向某些設備發(fā)出警報。當主機設備已經(jīng)知曉告警狀態(tài)，告警的從設備將使 SMB 告警線(xiàn)路進(jìn)入工作狀態(tài)。PMBus Control 線(xiàn)路將主機設備連接到一個(gè)或多個(gè)從設備上，它不是雙向總線(xiàn)。
同步降壓型 PMBus 示例
圖 2 顯示了降壓轉換器的一個(gè)簡(jiǎn)化示例，其使用了 PMBus 通信。示例中出現的可選的總線(xiàn)保護電路適用于 PMBus 不起作用 (go off-board) 的情況。大多數情況下，不需要可選電路。uC 或 DSP 可監控各種模擬輸入，其中包括 Vin、Vout、平均電流及穩定。目前的測量方法是使用電感器的 ESR 以及電熱調節器的數字控制器提供的信息來(lái)補償溫度。在測量電流強度與溫度的過(guò)程中，數字控制器可以在允許的范圍內操作電源轉換器。使用 PMB 告警線(xiàn)路，控制器可通知系統狀態(tài)是否接近操作限制?？蓪?PMBus Control 連接到輸入數字控制器中的中斷輸入。這樣，通過(guò)對數字控制進(jìn)行編程來(lái)提高其采取適當措施的速度。在任何情況下，電源都必須是可靠的，能夠保護自己。新一代的數字電源設備 UCD7K 已經(jīng)集成了以全時(shí)模式保護功率級的安全電路。此外，這些專(zhuān)用驅動(dòng)器還集成了許多特殊的功能，如偏置調節器 (bias regulator) 及運算放大器等，以便為數字控制器供電，并幫助進(jìn)行信號調節。
數字控制器如該圖所示，擁有適當的 PWM 分辨率來(lái)實(shí)現穩壓，2 ns 或更高水平。當這種能力與 PMBus 命令集相結合時(shí)，系統就會(huì )適應實(shí)時(shí)響應。面向電源控制的數字控制器新家族成員 UCD9K 現已推出。這些數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時(shí)鐘。此外，它們還擁有 PMBus 支持。數字方式的閉環(huán)優(yōu)勢是，數字控制可以選擇預先配置的適合當前工作要求的環(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(shí)時(shí)調節。無(wú)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。
結論
應使用適當的通信總線(xiàn)進(jìn)行電源控制與配置，以便滿(mǎn)足特定需要。盡管有一些標準能夠滿(mǎn)足少量電源通信要求，但是電源獨一無(wú)二的要求需要某種程度的修改。此外，類(lèi)似于電池管理，電源必須自身提供全時(shí)保護。我們定義了
PMBus，以滿(mǎn)足電源通信的要求。它不僅滿(mǎn)足了在制造過(guò)程中進(jìn)行配置和通信的需要，而且還提供了與電源解決方案進(jìn)行通信的系統，而不會(huì )引發(fā)大量的開(kāi)銷(xiāo)。PMBus 將會(huì )顯著(zhù)加速數字電源的普及。
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