詳解電源管理總線(xiàn)（PMBus）數字電源開(kāi)放標準協(xié)議

PMBus(電源管理總線(xiàn))開(kāi)放標準規范定義了一個(gè)用來(lái)控制功率轉換和管理器件的數字通信協(xié)議。在供電要求較復雜的系統中，通常使用多個(gè)DC/DC轉換器來(lái)產(chǎn)生不同的半導體器件所需要的供電要求。導致一個(gè)明顯結果就是在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)測試及日常使用的過(guò)程中，控制和監測這些電源將變得更加復雜。

目前，許多高性能DC/DC轉換器仍然通過(guò)無(wú)源元件產(chǎn)生的模擬信號來(lái)進(jìn)行控制。即使采用最先進(jìn)的電源電路拓撲，也不得不使用外部的電位器和電容來(lái)調節諸如啟動(dòng)時(shí)間、輸出電壓值及開(kāi)關(guān)頻率等參數，而且這些參數不能隨時(shí)更改。

PMBus是一種開(kāi)放型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)實(shí)現變換器與其他設備的通信。PMBus的傳輸層是基于低成本的SMBus(系統管理總線(xiàn))的1.1版本，這是個(gè)功能強健、符合工業(yè)現場(chǎng)應用標準的I2C串行總線(xiàn)的版本，具有分組校驗和主機通知的功能。

PMBus繼承了SMBus的SMBALERT信號，該信號可使從屬設備中斷系統主機對總線(xiàn)的控制，此方式一方面減少了系統主機的負擔，使主機在大多數時(shí)間內進(jìn)行閉環(huán)控制;另一方面比用專(zhuān)門(mén)的微控制器來(lái)查詢(xún)的方式更靈活。此外，PMBus協(xié)議將從屬設備的默認配置數據保存在永久性存儲器內或者在硬件上設置好，在上電的過(guò)程中，不需通過(guò)總線(xiàn)通信來(lái)得到初始配置信息，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，也減少了一部分總線(xiàn)數據傳輸。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，用于防止更改從屬設備存儲器中的數據。

與其他總線(xiàn)不同的是PMBus的主控設備不是專(zhuān)門(mén)的集成電路，這給進(jìn)行電源管理的主控設備選型提供了靈活性。當電源系統比較龐大時(shí)，可以采用PC機配置相應的數據采集板卡來(lái)完成各種管理功能，而對于較小的電源系統則可以是單板上現成的微處理器、一些額外的低成本的微控制器或者是PLD器件中的一些門(mén)。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的不同階段，可以使用不同的設備作為PMBus的主機。在單板設計階段，一臺便攜式電腦可以作為總線(xiàn)主機;而在產(chǎn)品實(shí)際應用時(shí)，則使用板上主處理器中的一些硬件資源來(lái)控制PMBus總線(xiàn)。在開(kāi)發(fā)階段，可以通過(guò)PMBus總線(xiàn)動(dòng)態(tài)修改從屬設備中的設定值和配置，對于不同的電源系統，可以借鑒相同的PMBus總線(xiàn)配置，只需修改某些特定數據。最終通過(guò)測試的設定值和配置通過(guò)寫(xiě)保護功能永久保存在從屬設備的存儲器之中。圖1所示為一個(gè)基于PMBus的數字電源管理典型連接結構圖。

圖1基于PMBus的數字電源管理典型連接結構圖

PMBus的通信是按照一個(gè)簡(jiǎn)單的命令集進(jìn)行的。每個(gè)數據包包含一個(gè)地址字節、一個(gè)命令字節、若干個(gè)數據字節，以及一個(gè)可選的包檢驗碼字節。圖2所示為一個(gè)主機到轉換器的信息傳輸。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。

圖2一個(gè)主機到轉換器的信息傳輸示意圖

與其他總線(xiàn)協(xié)議不同的是，PMBus總線(xiàn)不會(huì )等待專(zhuān)門(mén)的“執行”命令，從屬設備在收到“停止”信號后，立即處理并執行命令，符合電源管理的快速性要求。由于在開(kāi)發(fā)之初就考慮到其開(kāi)放性和超前性，PMBus總線(xiàn)協(xié)議支持的指令集可以提供兩個(gè)命令的擴展，該擴展可以有效地允許雙字節命令。一個(gè)擴展留給PMBus設備的生產(chǎn)商，另一擴展則由于協(xié)議本身的后續升級和修訂。實(shí)際應用中，PMBus協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用的指令集使得電源管理程序的編寫(xiě)更加快速、簡(jiǎn)便。負載點(diǎn)轉換器的電壓時(shí)序控制的實(shí)現就是很好的例子。上電時(shí)序控制對應著(zhù)有兩個(gè)PMBus命令，TON_DE2LAY命令設定了轉換器等待開(kāi)始上電的時(shí)間，而TON_RISE則設定了從零增加到設定輸出值的時(shí)間。所以，用戶(hù)可以通過(guò)相關(guān)軟件即可對每個(gè)轉換器的啟動(dòng)延遲和上升時(shí)間進(jìn)行設定。同樣，對于掉電時(shí)序控制，也有對應的掉電延遲命令TOFF_DELAY和下降時(shí)間TOFF_FALL設定。顯而易見(jiàn)，對于整個(gè)供電系統的啟動(dòng)和掉電的時(shí)序控制通常只需要4個(gè)PMBus命令來(lái)設定。PMBus已經(jīng)得到了業(yè)界的認可。