電源系統通信推動(dòng)數字電源發(fā)展

電源總線(xiàn)標準實(shí)現數控電源管理。 電源子系統目前正在越來(lái)越多地集成到整個(gè)系統中。電源子系統已經(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。這些系統控制的電源子系統帶來(lái)了諸多優(yōu)勢，如：節電、排序及裕度調整。隨著(zhù)最近對數字電源管理功能的重視，系統與電源子系統之間通信的標準化也更加重要。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。 電源通信 SMBuss （系統管理總線(xiàn)）是第一批電源子系統通信行業(yè)標準中的一個(gè)，該標準最初基于 Intel 的 I2C 系統管理總線(xiàn)，但是現在受新創(chuàng )建的 SM-IF（系統管理接口論壇）管理。SMBus 定義了多主機協(xié)議，以滿(mǎn)足在不同時(shí)間采集主控設備狀態(tài)的系統主機和電池產(chǎn)生的電池管理需求。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）。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 PMBus 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。 現隸屬于 SM-IF 的 PMBus SIG（特殊利益集團）已采用 SMBus 1.1 作為通信協(xié)議使用。電源和電池管理之間除了通用總線(xiàn)之外還具有許多共同利益。PMBus 確實(shí)通過(guò)為典型工作采用單個(gè)主機簡(jiǎn)化了協(xié)議。盡管它允許主機通知，但是典型應用中的 PMBus 電源設備在大部分應用中屬于典型的 PMBus"從設備"。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。電池組應用一般不采用 SMBus 報警功能，而是依靠多主機方法及電池廣播功能實(shí)現主機通知。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。此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。 如果 PMBus 必須一次與一組設備而不是全部設備通信，還會(huì )產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題。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，因為從設備在必須知道該數據。

其他接口線(xiàn)路也可以是雙向的。用于所有三條總線(xiàn)的時(shí)鐘線(xiàn)路可能需要是雙向的，例如，如果系統需要從設備進(jìn)行時(shí)鐘伸展（clock stretching），則三條總線(xiàn)的時(shí)鐘線(xiàn)路就需要采用雙向線(xiàn)路。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。 同步降壓型 PMBus 示例 除了處理系統級電源管理通信之外，PMBus 還可以管理電源子系統自身內部的電源控制。圖2說(shuō)明了一個(gè)采用PMBus 通信的簡(jiǎn)化的降壓轉換器。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。微控制器 或 DSP 可監控各種模擬輸入，其中包括 Vin、Vout、平均電流及溫度。目前的電流測量方法是采用電感器的ESR（等效串聯(lián)電阻）提供的信息以及由采用熱敏電阻的數字控制器測量與提供的溫度信息--熱敏電阻用于彌補溫度引起的阻抗變化。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)是否接近工作極限。PMBus控制線(xiàn)連接到數字控制器中的中斷輸入。這樣，設計人員可以對數字控制功能進(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。

圖中的數字控制器具有適當的PWM分辨率來(lái)進(jìn)行穩壓，0.1％ 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。 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。