利用智能電源轉換器全面提升系統性能

PMBus協(xié)議破除專(zhuān)有技術(shù)壟斷

一直以來(lái)，AC/DC和DC/DC電源轉換發(fā)展的重點(diǎn)主要都在降低成本、縮小尺寸、提高效率和提升功率密度上，隨之而來(lái)的要求就是適應半導體器件不斷降低的工作電壓和不斷增大的電流需求。最近幾年，又出現了一種新的設計目標，即通過(guò)整合更多智能化功能以增強系統級功能，主要是配置、控制和監控功能，從而幫助用戶(hù)降低產(chǎn)品總成本。

最初，主要工作集中在數字通信領(lǐng)域，有許多總線(xiàn)標準共同競爭在該領(lǐng)域的主導地位。然而，由于缺少行業(yè)范圍的共識，從而導致各電源芯片制造商開(kāi)發(fā)出各不相同的方案，結果每家都有自己的專(zhuān)有架構和軟件。鑒于此種情況，2004年10月，Astec Power和Artesyn Technologies兩家公司聯(lián)合6家世界頂級半導體制造商，共同創(chuàng )立了PMBus協(xié)議，力圖通過(guò)協(xié)議的來(lái)解決專(zhuān)有電源解決方案及其相關(guān)的授權協(xié)議限制。

PMBus是一套真正的開(kāi)放標準數字電源管理協(xié)議，它全面定義了各個(gè)電源和轉換器之間相互通信所需的傳輸和物理接口以及指令語(yǔ)言。該協(xié)議的第一版于2005年3月正式公布，其所有權轉移給系統管理接口論壇(System Management Interface Forum)。系統管理接口論壇(www.powerSIG.com)是一個(gè)獨立的特別興趣小組，負責該標準的發(fā)展和推廣。最新的規范草案Revision 1.1X2已于2006年4月發(fā)布。

PMBus總線(xiàn)傳輸層是建立在低成本的1.1版系統管理總線(xiàn)(SMBus)基礎上的。而1.1版SMBus則是工業(yè)標準I2C總線(xiàn)的一個(gè)更健全的版本，具備數據包檢錯和主機通知功能。除了SMBus的時(shí)鐘、數據和中斷線(xiàn)之外，PMBus協(xié)議還定義了兩個(gè)硬連線(xiàn)信號供電源轉換器件使用：一個(gè)是控制信號，與總線(xiàn)上接收到的指令共同作用，來(lái)開(kāi)關(guān)單獨的從器件；另一個(gè)是可選的“寫(xiě)保護”信號，用于保護存儲器中的數據不會(huì )進(jìn)行任何改變。一種典型的總線(xiàn)實(shí)現方框圖見(jiàn)圖1。

SMBALERT信號允許從器件中斷系統的主設備(主機或總線(xiàn))。這一安排從本質(zhì)上就比讓主器件不間斷地來(lái)選取從器件更方便，而且給主處理器帶來(lái)的負擔也更小，從而使設計師更容易實(shí)現事件驅動(dòng)的閉環(huán)控制方案。而且，PMBus協(xié)議規定，所有從器件要么必須將默認的配置數據存儲在非易失存儲器中，要么就必須采用管腳編程，也就是說(shuō)從器件必須能在沒(méi)有總線(xiàn)通信的情況下啟動(dòng)。采用該總線(xiàn)的方案，系統啟動(dòng)時(shí)間遠短于市場(chǎng)上的其他數字控制方案，因為其他方案都要求主器件在上電初始化程序中配置所有從器件。

圖1：基于PMBus的數字電源管理的典型連接方框圖。

PMBus正在被越來(lái)越多的廠(chǎng)商接受。迄今為止，已經(jīng)有30家世界領(lǐng)先的電源和半導體制造商采用了該總線(xiàn)標準。最近的一家是2006年9月宣稱(chēng)加入PMBus組織的英特爾公司，該公司聲稱(chēng)相信PMBus將是最佳的電源和熱管理接口，而且他們打算幫助推動(dòng)該標準發(fā)展，以便滿(mǎn)足企業(yè)數據中心的應用需求。

分布式電源系統處于領(lǐng)先地位

近幾年，分布式電源系統，包括隔離式AC/DC前端和多個(gè)非隔離式DC/DC轉換器(有時(shí)也叫做非隔離式負載點(diǎn)(POL)轉換器)非常流行，甚至有人說(shuō)是為板上半導體器件提供最終電壓的必不可少的方法?；诖祟?lèi)電源系統的分布式特性日益顯著(zhù)，而且行業(yè)內對電源器件(例如SMBus)中的數字通信技術(shù)也比較熟悉，因此這類(lèi)系統，尤其是DC/DC負載轉換器，理所當然成為數字化的一個(gè)理想選擇，從而可能好不驚奇地最先成為市場(chǎng)上的主流數字可編程電源轉換產(chǎn)品。

例如，大力支持PMBus協(xié)議的Artesyn就已經(jīng)在試銷(xiāo)一款帶PMBus的POL轉換器產(chǎn)品。該產(chǎn)品在電路設計師中好評如潮。盡管目前市場(chǎng)受專(zhuān)利訴訟的影響，相關(guān)的半導體開(kāi)發(fā)一直保持快速進(jìn)展，而且在數字技術(shù)展現魅力的系統級電源管理領(lǐng)域，電源轉換市場(chǎng)的其他區域的發(fā)展也相當活躍。

數字控制的硬件已出現

PMBus實(shí)現者論壇(PMBus Implementers Forum)目前列出了八家領(lǐng)先的半導體公司設計的多款數字電源管理芯片，每一款都具備符合PMBus協(xié)議的數字控制接口和詳盡的PMBus指令集。該論壇的成員都是赫赫有名的半導體公司，例如凌力爾特、美信集成電路、Primarion、Silicon Laboratories、TI和Zilker Labs。

圖3：Astec的DTX系列隔離式磚型電源產(chǎn)品采用帶擴展PMBus指令集的全數字設計

這些數字電源控制芯片的出現意味著(zhù)智能電源轉換產(chǎn)品的用量正在增加，不過(guò)市場(chǎng)的起飛相對還比較慢。事實(shí)上，AC/DC電源采用數字接口進(jìn)行監控和報告結果已經(jīng)有幾年了。例如，許多服務(wù)器應用中的電源就采用了電源管理接口(PSMI)實(shí)現電壓、電流、溫度和風(fēng)扇的監控。由于PSMI已經(jīng)采用了SMBus進(jìn)行通信，因而向基于PMBus的控制過(guò)渡，將數字控制的應用擴展至監控之外，并用于實(shí)現由主系統進(jìn)行的主動(dòng)電源管理，也就成為自然而然的事情。此外，AD/DC電源也開(kāi)始更多地利用數字接口進(jìn)行配置和設置，ASTEC的iMP系列電源就是一個(gè)很好的例子，這些電源能提供強大的基于PMBus的可編程配置功能。

目前，人們普遍仍認為數字可編程電源和轉換器比相應的但不如它們靈活的模擬器件貴得太多，制造商們也一直在苦口婆心地解釋說(shuō)這是由于早期產(chǎn)品以及對系統級電源的成本分析不全面而帶來(lái)的誤解。事實(shí)上，只要使用得當，新型智能電源所提供的先進(jìn)的系統級控制功能反而能降低系統的整體成本。此外，關(guān)于數字控制的DC/DC磚型轉換器引腳排列標準(pin-out standard)，業(yè)內還有爭議，如何在更小型的外形結構上布置額外的信號線(xiàn)也是一項挑戰，人們擔心制造商要去哪里尋找這些額外的空間，尤其是在體積只有原來(lái)的1/16的時(shí)候。

然而，大多數產(chǎn)業(yè)分析師都預計智能電源轉換產(chǎn)品即將開(kāi)始快速發(fā)展。圖2給出了數字控制方面的發(fā)展預測圖，即使是最保守的一條上升曲線(xiàn)也預計，到2010年，數字控制的電源產(chǎn)品將占據整個(gè)市場(chǎng)的40%。這些增長(cháng)圖是針對AD/DC電源和電信專(zhuān)用DC/DC轉換器的，但據預測，標準隔離式磚型DC/DC轉換器也有類(lèi)似的變化，到2010年，數字控制的產(chǎn)品將占市場(chǎng)的35%~65%。

圖2：數字電源控制產(chǎn)品的增長(cháng)曲線(xiàn)圖。

圖4：Artesyn的新型中間總線(xiàn)轉換器ATC210配備了I²C串行總線(xiàn)和直接高速接口用于監控、報告和故障閥值的數字編程

圖5：Astec的iMP系列AC/DC智能電源具備強大的基于PMBus的編程和監控功能

例如，在過(guò)去這一年，同屬于艾默生網(wǎng)絡(luò )電源的Astec Power和Artesyn就已經(jīng)推出了符合PMBus規范的DC/DC轉換器和AC/DC電源，以及I²C控制的中間總線(xiàn)轉換器(IBC)。數字控制發(fā)展成為電源轉換產(chǎn)品的主流所要花的時(shí)間也許比人們預計的還要長(cháng)，現在看來(lái)，將其看作正常的發(fā)展可能比將其看作革命性的發(fā)展更好一些。不過(guò)，要否認數字控制在電源轉換產(chǎn)品中的未來(lái)潛力還是需要很大勇氣的。