使用 PMBus? 控制我們的電源設(shè)備

服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)、基站和存儲(chǔ)附件盒等云基礎(chǔ)設(shè)施終端設(shè)備對(duì)電源的功率密度要求正在增加。作為回應(yīng)，將集成 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）DC/DC 轉(zhuǎn)換器用于大電流 POL（負(fù)載點(diǎn)）軌，傳統(tǒng)上由帶有外部 MOSFET 的 PWM（脈寬調(diào)制）控制器提供服務(wù)，這已成為主流. 此外，為高性能處理器和 FPGA 執(zhí)行高級(jí)任務(wù)的需求，如自適應(yīng)電壓縮放（基于處理器操作配置文件的動(dòng)態(tài) Vout 調(diào)整以優(yōu)化功率損耗）也變得很重要。此外，電源設(shè)計(jì)人員越來越關(guān)注消除外部組件、提高可靠性和防止故障發(fā)生。

如今，TI 提供的 TPS544C20 和 TPS544B20 電源轉(zhuǎn)換器將這兩種非常強(qiáng)大的理念結(jié)合到一個(gè) IC 中。一方面，它們集成了具有 30A 和 20A 極高電流承載能力的 MOSFET，另一方面，它們具有 PMBus? 控制功能。

什么是“PMBus”，為什么它是如此有價(jià)值的電源功能？PMBus，代表“電源管理總線”，是電源管理的“遙控器”。PMBus 控制包含一個(gè)強(qiáng)大的理念，我們可以使用軟件命令即時(shí)控制和編程電源管理設(shè)備。這在純模擬設(shè)計(jì)中是無法實(shí)現(xiàn)的，我們需要在設(shè)計(jì)階段設(shè)置器件行為并選擇電阻器和電容器。使用 PMBus 協(xié)議，控制處理器可以改變開關(guān)頻率、電流限制和輸出電壓等內(nèi)容。PMBus 還可以提供遙測(cè)，即讀取 IC 溫度和電流等信息，以便處理器可以動(dòng)態(tài)監(jiān)控電源系統(tǒng)。

PMBus 的想法源于1980 年代早期開發(fā)的流行的 I 2 C 總線。I 2 C 總線代表 Inter-IC（集成電路），是一種用于控制和監(jiān)視任何電子系統(tǒng)的通用總線。它是一個(gè)簡(jiǎn)單的總線協(xié)議，取代了當(dāng)時(shí)存在的許多專有協(xié)議。從 I 2 C 總線，產(chǎn)生了 SMBus 協(xié)議或系統(tǒng)管理總線，定義于 1995 年。SMBus 與 I 2略有不同C，因?yàn)樗砑恿藬?shù)據(jù)包錯(cuò)誤檢查，使其更加健壯。SMBus 曾用于 PC 和服務(wù)器，但業(yè)界很快意識(shí)到，系統(tǒng)的電源管理需求最好由通用協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)集來滿足，最終形成了 PMBus 控制的定義。PMBus 在使用 SMBus 作為物理層的同時(shí)，建立了電源管理協(xié)議，取代了幾個(gè)專有協(xié)議。

TI 的 SWIFT?  TPS544C20和TPS544B20是業(yè)界首款具有集成 FET 和 PMBus 數(shù)字接口的 4.5V 至 18V、30A DC/DC 轉(zhuǎn)換器。為了方便工程師使用這些產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們?cè)赪EBENCH® Power Designer中添加了支持。在 WEBENCH 工具中，我們可以練習(xí)許多 PMBus 命令并查看直接影響，幫助我們快速分析設(shè)計(jì)并制作原型。

例如，讓我們使用 PMBus 命令實(shí)時(shí)更改控制器的輸出電壓。假設(shè)我們想在對(duì)功率敏感的應(yīng)用程序（如筆記本電腦）中降低微處理器的性能，以節(jié)省電池壽命。如我們所知，微處理器的功耗與 CV 2 f 成正比。功耗取決于電壓的平方，因此降低電壓對(duì)降低功率的影響更大。微處理器可以動(dòng)態(tài)地向電源轉(zhuǎn)換器發(fā)出 PMBus 命令，以通過 PMBus 總線降低輸出電壓。此 Vout 轉(zhuǎn)換命令由TPS544C20或TPS544B20執(zhí)行以更改其 Vout。設(shè)計(jì)步驟如下圖所示。

我使用TPS544C20創(chuàng)建了一個(gè)設(shè)計(jì)，額定輸出電壓為 3.3V，輸出電流為 20A。輸入電壓為 4.5V 至 5.5V。在高級(jí)選項(xiàng)中，我將 PMBus 命令 Vref Margin Low 設(shè)置為 -16.67%，并將操作裕度設(shè)置為“Margin Low”以降低輸出電壓（圖 1）。

圖 1. 在“高級(jí)選項(xiàng)”WEBENCH 面板中設(shè)置 PMBus 命令。

這將TPS544C20設(shè)置為將 Vout 從標(biāo)稱值 3.3V 轉(zhuǎn)換為 2.75V，降低 16.67%。我們可以在 WEBENCH Power Designer 中使用在線“Vout 轉(zhuǎn)換”仿真來仿真這種效果（圖 2）。

圖 2. Vout 轉(zhuǎn)換仿真。

如果放大輸出電壓波形，我們將看到輸出電壓紋波以及平均 Vout，從 3.3V 轉(zhuǎn)變?yōu)?2.75V。Op Val 部分中的操作值指示新 Vout 的所有變量。

嘗試使用 PMBus 功能在WEBENCH Power Designer中創(chuàng)建 PMBus 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，并通過在線 SPICE 仿真分析設(shè)計(jì)。