數字電源控制和管理以及PMBus編程

本文主要討論脈沖寬度調制(PWM)、脈沖密度調制(PDM)和脈沖頻率調制(PFM)開(kāi)關(guān)穩壓器和控制器IC。其中一些集成了控制實(shí)際開(kāi)關(guān)的一個(gè)或多個(gè)晶體管的驅動(dòng)器，另一些則沒(méi)有。還有一些甚至集成了開(kāi)關(guān)FET，如果它們提供合適的負荷的話(huà)。因此，數字還是模擬的問(wèn)題取決于穩壓器的控制回路如何閉合。

圖1顯示了兩種最常見(jiàn)的PWM開(kāi)關(guān)拓樸布局的變化，降壓和升壓(buck/boost)轉換器。在同步配置中，第二只晶體管將取代二極管。在某種意義上來(lái)講，脈沖寬度調制的采用使得這些轉換器“準數字化”，至少可與基于一個(gè)串聯(lián)旁路元件的723型線(xiàn)性穩壓器相比。事實(shí)上，PWM使得采用數字控制回路成為可能。不過(guò)，圖1中的轉換器缺少控制一個(gè)或幾個(gè)開(kāi)關(guān)占空比的電路，它可在模擬或數字域中實(shí)現。

不管采用模擬還是數字技術(shù)，都有兩種方式實(shí)現反饋回路：電壓模式和電流模式。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，首先考慮它在模擬域中如何實(shí)現。

圖1：沒(méi)有控制器的開(kāi)關(guān)模式DC-DC電源十分簡(jiǎn)單。不論用于升壓還是降壓，其成功與否取決于設計者如何安排一些基本的元器件。

在電壓模式拓樸中，參考電壓減去輸出電壓樣本就可得到一個(gè)與振蕩器斜坡信號相比較的小誤差信號(圖2)，當電路輸出電壓變化時(shí)，誤差電壓也產(chǎn)生變化，后者反過(guò)來(lái)改變比較器的門(mén)限值。反過(guò)來(lái)，這將使輸出信號寬度發(fā)生變化。這些脈沖控制穩壓器開(kāi)關(guān)晶體管的導通時(shí)間。隨著(zhù)輸出電壓升高，脈沖寬度將變小。

電流模式控制的一個(gè)優(yōu)勢在于其管理電感電流的能力。一個(gè)采用電流模式控制的穩壓器具有一個(gè)嵌套在一個(gè)較慢的電壓回路中的電流回路。該內回路感應開(kāi)關(guān)晶體管的峰值電流，并通過(guò)一個(gè)脈沖一個(gè)脈沖地控制各晶體管的導通時(shí)間，使電流保持恒定。

圖2：電壓模式反饋(本例中在模擬域)包含一個(gè)控制回路。

與此同時(shí)，外回路感應直流輸出電壓，并向內回路提供一個(gè)控制電壓。在該電路中，電感電流的斜率生成一個(gè)與誤差信號相比較的斜坡。當輸出電壓下跌時(shí)，控制器就向負載提供更大的電流(圖3)。

在這些控制拓樸中，在回路的相移達到360°的任意頻率處，控制回路的增益不能超過(guò)1。相移包括了將控制信號饋入反饋運放的倒相輸入端所產(chǎn)生的固有180°相移、放大器和其它有源元件的附加延遲、以及由電容和電感(特別是輸出濾波器的大電容)引入的延遲。

穩定回路要求對一定頻率范圍內的增益變化和相移進(jìn)行補償。傳統上，采用模擬PWM來(lái)穩定電源通常需要采用經(jīng)驗方法：你在一塊與生產(chǎn)型電路板相同布局的實(shí)際電路板上，實(shí)驗各種無(wú)源器件的不同組合，并觀(guān)察在電源電壓和負載需求變化時(shí)的電路時(shí)間域響應。最近，事情已變得很簡(jiǎn)單。因為現在模擬控制器公司在其自己的型號產(chǎn)品上實(shí)現了首先在數字控制器上引入的各種“在寄存器中插入一個(gè)值”的功能。

圖3：電流模式反饋采用了嵌套反饋回路。與電壓模式不同，它需要計入電感上的電流。

數字控制回路

大多數電壓模式控制的數字實(shí)現方案包括了模數轉換器(ADC)、實(shí)現一些控制算法的微控制器或DSP、以及一個(gè)數字脈沖寬度調制器(DPWM)，該DPWM拾取控制器輸出并產(chǎn)生驅動(dòng)執行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的一個(gè)或幾個(gè)晶體管所需的信號(圖4)。

首先，ADC產(chǎn)生饋入控制器的一系列輸出電壓的數字表示?？刂扑惴ㄊ侨藗兯煜さ谋壤e分(PI)或比例積分/差分(PID)算法。

在一個(gè)PID控制器(更復雜的實(shí)例)中，每個(gè)ADC輸入都要執行基于一系列系數的算法。比例系數是與靈敏度相關(guān)的增益因子。整數系數按照錯誤出現的時(shí)間長(cháng)短來(lái)調節PWM的占空比。誘導系數補償回路的時(shí)間延遲(相位更有效)。綜合起來(lái)，PID算法的各個(gè)系數決定了系統的頻率響應。

控制器隨后將ADC的輸出電壓表示轉換成維持期望的輸出電壓所需的脈沖持續時(shí)間(占空比)信息。然后，該信息被傳送至一個(gè)DPWM，它執行與模擬PWM一樣的驅動(dòng)信號產(chǎn)生功能。

注意模擬和數字控制方案管理開(kāi)關(guān)晶體管的不同。模擬控制器在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)開(kāi)關(guān)晶體管成ON狀態(tài)，并在電壓坡度達到預設的門(mén)檻電壓時(shí)將晶體管觸發(fā)成OFF狀態(tài)；PID控制器則計算開(kāi)關(guān)晶體管ON和OFF狀態(tài)期間所需的持續時(shí)間。

理論上，模擬控制可以提供連續精度的輸出電壓。但ADC精度和采樣率的交互作用再加上DPWM開(kāi)關(guān)速率，使情況變得有些復雜。

例如，DPWM必須具有比ADC更高的精度。否則，ADC輸出的1LSB變化就可能導致DPWM使輸出電壓變化大于1LSB。其結果是，輸出電壓就穩定地在兩個(gè)數值之間轉換，這個(gè)狀態(tài)被稱(chēng)之為“限制性循環(huán)”。

圖4：電壓模式控制的數字實(shí)現消除了鋸齒產(chǎn)生器。在其他方面，它們與模擬實(shí)現緊密對應。

不過(guò)，避免循環(huán)也不是輕而易舉的。這是因為要提供DPWM更高的精度就意味著(zhù)必須提高其脈沖速率(脈沖速率決定了在任一給定時(shí)間段能夠產(chǎn)生多少比特)。然而，DPWM脈沖速率限制了它對所有來(lái)自控制器的比特進(jìn)行壓縮的時(shí)間。如果一個(gè)DPWM具有1MHz開(kāi)關(guān)速率和10位ADC，那么計算顯示，調制器要求超過(guò)1 GHz的脈沖速率。

當然，如此的高速度是不切實(shí)際的，因此數字控制器的設計者必須找到另一種替代解決方案。一種方案是引入一些DPWM時(shí)鐘抖動(dòng)。穩壓器輸出過(guò)濾器對饋入的任一脈沖串進(jìn)行平均，這使對每個(gè)mth輸出脈沖的寬度進(jìn)行相當于1 LSB的調整成為可能。

這將脈沖串的平均值增加或降低了1 LSB精度的1/m倍。如果在控制器輸入端的1LSB使輸出脈沖串平均變化10 mV，這將使每四個(gè)脈沖縮短相應于10 mV的時(shí)間，那么通過(guò)濾波器的平均輸出電壓將降低 10 mV/4，即2.5 mV。

當系統具有一個(gè)以上的電壓軌時(shí)，按照正確順序導通電壓軌，并在電源啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)控制電壓的變化速率將變得十分重要。在具有多個(gè)電源軌的系統中，采用數字電源管理更易于對不同電壓軌的順序和時(shí)序進(jìn)行編程。

電源轉換器或控制器并沒(méi)必要同時(shí)具有數字電源控制和數字電源管理功能?，F在，一些DC/DC調節器采用模擬控制方式，但能提供增強型I²C總線(xiàn)上的可編程性能；另一些DC/DC調節器采用數字反饋，但通過(guò)將特定引腳直接接地或通過(guò)電阻接地，也可以設置操作特性。如今，大量的電源管理和一些電源控制功能是通過(guò)電源管理總線(xiàn)(PMBus)來(lái)實(shí)現的。

圖5：基本的PMBus僅要求時(shí)鐘和數據線(xiàn)，ALERT#、CONTROL和WriteProtect線(xiàn)為可選。

PMBus接口和編程

大多數電源管理和控制IC的數據手冊將通信接口定義為I²C。但仔細研究后，你會(huì )發(fā)現真正的接口是系統管理總線(xiàn)(SMBus)，通信協(xié)議則常為PMBus。

PMBus是系統管理接口論壇所擁有的一個(gè)開(kāi)放標準(圖5)。除采用SMBus傳輸層之外，該規范還增加了用于電源設計的控制語(yǔ)言。PMBus是電源公司和半導體公司互相協(xié)作的結果。

PMBus采用SMBus的1.1版本作為基礎規范。然而，1.1版本并不是SMBus的當前版本。1.1版本和當前2.0版本的主要區別在于地址總線(xiàn)仲裁功能，該特性對電源產(chǎn)品來(lái)說(shuō)并不是必需的，因為每個(gè)電源的地址幾乎總是給出了其物理地址和系統功能。

PMBus規范的第一部分定義了常規要求、傳輸和電氣接口以及物理層，第二部分則定義了電源業(yè)務(wù)控制器或系統主控器與電源器件之間的數據命令語(yǔ)言及其格式。

在PMBus規范中，PMBus IC、電源轉換器、電源等都被稱(chēng)為“器件”。但是，單個(gè)器件不一定要求支持所有特性、功能和命令。然而，為遵守PMBus規范，器件必須滿(mǎn)足：1)滿(mǎn)足第一部分中的所有要求；2)支持第二部分中至少一種非制造商專(zhuān)用命令；3)正確執行PMBus命令代碼定義的功能；4)接受、認可并執行PMBus命令，或者拒絕；5) 在電源上電時(shí)，能在不需要與其它PMBus器件通信的情況下安全啟動(dòng)和操作；6) 采用SMBus進(jìn)行傳輸(有例外說(shuō)明)；7) 支持用于向多個(gè)PMBus器件發(fā)送命令的群組命令協(xié)議(Group Command Protocol)( 這些命令在一次傳輸中被接收，當器件檢測到中止命令的STOP條件時(shí)，它們開(kāi)始執行接收到的命令)；8) 在硬件線(xiàn)路信號狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)作出響應(對響應時(shí)間沒(méi)有要求)；9) 給出可在產(chǎn)品文檔中被設置和報告的輸出電壓精度和其它參數。

PMBus規范還提供制造商可能實(shí)現的一些功能(如果他們需要的話(huà))，這些功能包括：支持SMBus PEC協(xié)議；臨時(shí)充當總線(xiàn)主控器，并與主控器通信；將它們想與主控器通信的信息通知給主控器；寫(xiě)保護(WP)信號輸入；通過(guò)SMBus接口升級固件。

PMBus規范定義了2個(gè)必需信號和3個(gè)可選信號(圖6)：必需信號為時(shí)鐘信號(SCL)和數據信號(SDA)，可選信號為SMBALERT#、CONTROL和WP。SCL、SDA和SMBALERT#在被下拉到低電壓時(shí)有效，CONTROL和WP的電壓在大多數情況下與PMBus的邏輯電壓相同。

SMBALERT#是一條連線(xiàn)或信號，它由任何需要獲得PMBus主控器支持的從屬器發(fā)起。當SMBALERT#有效時(shí)，主控器在PMBus上發(fā)送告警(alert)響應地址，然后每個(gè)發(fā)信號(alerting)的器件將其器件地址放在SDA上。這里有仲裁機制來(lái)管理沖突。

一旦器件成功地將其地址加入總線(xiàn)，它就會(huì )釋放SMBALERT#線(xiàn)。雖然PMBus規范將該信號標為“可選”，但推薦使用這個(gè)信號，而且一些OEM要求在他們采用的器件中有這個(gè)信號。

一些系統OEM還需要CONTROL信號。CONTROL提供一種關(guān)掉支持PMBus電源的輸出的快速方法。OEM很少需要用來(lái)保護數據和程序信息免遭意外修改的WP信號。

PMBus數據分組協(xié)議與SMBus協(xié)議相同，除了前者包括被稱(chēng)為群組命令協(xié)議(Group-Command Protocol)的擴展協(xié)議之外。這個(gè)擴展協(xié)議允許多個(gè)器件通過(guò)使用STOP位探測來(lái)同步。

在群組命令協(xié)議中，PEC字節可能被加到每條命令和數據包的末尾，后跟發(fā)送給下一個(gè)器件的重復START位和地址、命令以及數據，直至所有器件完成配置。在最后一個(gè)器件的配置數據包的末尾，STOP位被發(fā)送出去。當探測到STOP位時(shí)，所有器件都按發(fā)送的命令工作(或者說(shuō)，利用CONTROL線(xiàn)同步多個(gè)器件)。

圖6：在PMBus規范的實(shí)現中，SMBus提供主計算機或系統管理器與PMBus兼容器件之間的串行通信。

PMBus命令語(yǔ)言

PMBus命令語(yǔ)言提供了超過(guò)100個(gè)基本命令代碼和為特定制造商及用戶(hù)命令保留的代碼，另外還支持基本命令的未來(lái)擴展。但大多數PMBus器件并不能執行所有PMBus命令。

因為一個(gè)器件只須支持一種核心命令以遵守PMBus規范，所以存在一些用來(lái)通知PMBus主控器有一種命令沒(méi)有被支持的規范，包括響應命令代碼或帶有否定應答(NACK)的后續數據字節，或以ACK響應命令和數據，但隨后警示主控器出現問(wèn)題。這讓主控器可以讀取命令STATUS_BYTE以確定問(wèn)題。與NACK相比，它減少了不確定性，因為NACK可以表示為“我沒(méi)有聽(tīng)到你”、“我不能支持你”或者“我不理解你”。

PMBus規范允許工程數值能以至少兩種格式進(jìn)行編碼：文字格式和直接格式。文字格式以伏特、安培、微秒或攝氏度等工程單位交換數據。直接方式則基于從屬器的內部單位，它能降低對從器件運算能力的要求，但這是以主控器的復雜性為代價(jià)，因為主控器必須具有將主控器單位翻譯成從屬器單位的信息。文字格式對主控器工作量的要求最低，但它要求將從屬器將內部數值轉換為工程單位。

除了文字格式和直接格式，可以用被稱(chēng)為VID的更簡(jiǎn)單的格式來(lái)表示輸出電壓。盡管VID調節無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)處理器電源所要求的時(shí)序(因為總線(xiàn)帶寬太低)，但VID提供了一種管理電壓輸出的簡(jiǎn)單途徑。此外，它不要求主控器和從屬器具有很高的復雜性。