數(shù)字電源淺析之二：數(shù)字通信協(xié)議

數(shù)字電源通過SMBus、PMBus和AVSBus(PMBus協(xié)議的子集，用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓縮放)相互通信。使用支持SMBus和PMBus的設(shè)備進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換提供了傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的靈活性和控制。PMBus及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由System Management Interface Forum(SMIF)開發(fā)和維護(hù)。

PMBus已開發(fā)維護(hù)多年，SMIF最近慶祝了其15周年生日。2014年3月，AVSBus作為PMBus標(biāo)準(zhǔn)第1.3版的一部分發(fā)布。PMBus規(guī)范工作組目前正在對(duì)PMBus 1.3進(jìn)行第二次修訂。最近的版本將是PMBus 1.4，以消除意義不明確之處并向現(xiàn)有命令集添加一些次要功能。目前正在最后確定。

AVSBus是PMBus的一個(gè)子集，用于為FPGA、ASIC、處理器和其他大型數(shù)字IC提供自適應(yīng)電壓縮放。(圖片：SMIF)

一項(xiàng)更雄心勃勃的工作也在進(jìn)行中，PMBus和AVSBus都將升級(jí)至2.0，這將在PMBus/AVSBus命令集和SMBus物理層和傳輸層之間提供一個(gè)明確的分離。將使PMBus在未來更容易采用附加的物理層和傳輸層。同時(shí)為了提高數(shù)字電力通信領(lǐng)域的安全性，正在考慮進(jìn)行更多的變更。

PMBus應(yīng)用程序概要工作組(PMBus Application Profile Work Group)專注于以下幾個(gè)領(lǐng)域：

擴(kuò)展現(xiàn)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)AVSBus體系結(jié)構(gòu)的行為，允許總線上有多個(gè)從設(shè)備，并進(jìn)行相關(guān)的命令和監(jiān)視更改。

為工業(yè)、醫(yī)療、通信和計(jì)算市場(chǎng)的前端電源定義PMBus應(yīng)用程序配置文件。該規(guī)范將包括交流輸入，48V輸入，高壓直流輸入。

定義通用(或中性)文件格式的特性，用于在新制造的線路板上配置來自多供應(yīng)商的PMBus器件。

物理總線實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一(物理總線實(shí)現(xiàn))。這將在即將到來的PMBus 2.0中得到支持。SMBus一直是PMBus的默認(rèn)PHY，但有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了其他PHY，以便在較長(zhǎng)距離上傳輸PMBus命令(ENET、CAN、RS485等)。這項(xiàng)工作將創(chuàng)建一種標(biāo)準(zhǔn)方法來支持PMBus而不是通過其他PHY實(shí)現(xiàn)。

PMBus協(xié)議目前包括大約200個(gè)命令，這些命令可以分類如下：

配置

輸出電壓

工作頻率

OVT/OCT/OTP閾值

電源“良好”窗口

故障處理方式

軟啟動(dòng)模式

同步

以及其他

控制

啟用/禁用

輸出電壓

工作頻率

相位節(jié)流

保證金

以及其他

監(jiān)控

輸入和輸出電壓

輸入和輸出電流

占空比

溫度

以及其他

PMBus性能驗(yàn)證

作為產(chǎn)品驗(yàn)證的一部分，驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合協(xié)議規(guī)范，以確保產(chǎn)品的互操作性非常重要。Soliton和Cadence的產(chǎn)品提供了兩個(gè)驗(yàn)證PMBus性能的方法示例。

Soliton公司的PMBus從機(jī)驗(yàn)證套件是一個(gè)現(xiàn)成的驗(yàn)證工具，使用NI的PXI平臺(tái)，幫助驗(yàn)證設(shè)備是否符合PMBus協(xié)議的時(shí)序和電氣規(guī)范。該工具還可以驗(yàn)證設(shè)備對(duì)各種PMBus故障和異常的耐受性和恢復(fù)能力，并提供一套全面的報(bào)告。

Soliton的PMBus從機(jī)驗(yàn)證套件基于NI的PXI平臺(tái)(圖片：Soliton)

PMBus驗(yàn)證套件包括：

NI PXIe 657x 帶PXIe機(jī)箱的數(shù)字Pattern 生成子卡

Soliton PVS插入板

示波器：用于進(jìn)行電壓測(cè)量

與Windows操作系統(tǒng)兼容的Soliton PMBus從機(jī)驗(yàn)證套件軟件

PMBus的Cadence驗(yàn)證IP(VIP)結(jié)合了最新的協(xié)議更新，提供了完整的總線功能模型(BFM)、集成的自動(dòng)協(xié)議檢查、覆蓋模型和合規(guī)測(cè)試。PMBus的VIP設(shè)計(jì)用于在IP、片上系統(tǒng)(SoC)和系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試臺(tái)上輕松集成。它有助于減少測(cè)試時(shí)間，加快驗(yàn)證結(jié)果，并確保最終產(chǎn)品質(zhì)量。PMBus的VIP運(yùn)行在所有主要的模擬器上，支持SystemVerilog驗(yàn)證語言和相關(guān)方法，包括通用驗(yàn)證方法(UVM)和開放驗(yàn)證方法(OVM)。

PMBus的VIP支持最新版本的PMBus 1.3.1版：

電力系統(tǒng)管理協(xié)議規(guī)范第I部分——一般要求、傳輸和電氣接口

電力系統(tǒng)管理協(xié)議規(guī)范第二部分-命令語言

SMBus不完全是I2C

雖然SMBus是從I2C派生的，但在電壓、電流、定時(shí)、協(xié)議和操作模式方面，這兩種規(guī)格之間存在著一些顯著差異。

I2C規(guī)范規(guī)定輸入電平為電源電壓VDD的30%和70%，電壓VDD可能為5V、3.3V或其他值。SMBus定義總線輸入電平與VDD無關(guān)，而是將其定義為固定在0.8V至2.1V，SMBus 2.0支持3V至5V的VDD，SMBus 3.0支持1.8V至5V的VDD。

SMBus 2.0定義了一個(gè)“高功率”類，其中包括一個(gè)4mA接收器電流，不能由I2C芯片驅(qū)動(dòng)。I2C總線額定值為3mA。如果上拉電阻電流為3mA，SMBus“高功率”設(shè)備和I2C總線設(shè)備將一起工作。SMBus“低功耗”類額定為350μA。

SMBus時(shí)鐘定義為10-100 kHz，而I2C以0kHz開始，根據(jù)模式擴(kuò)展至100kHz、400kHz、1MHz或3MHz。這意味著，運(yùn)行在10kHz以下的I2C總線將不符合SMBus的要求，因?yàn)镾MBus設(shè)備可能超時(shí)。當(dāng)然這因制造商而異，并且已經(jīng)有SMBus器件支持較低的頻率。SMBus 3.0增加400kHz和1MHz總線速度。

除了I2C規(guī)范中的最小總線操作頻率外，SMBus規(guī)范還限制了主設(shè)備在消息的每個(gè)字節(jié)內(nèi)的最低延遲量(tLOW:MEXT). 從設(shè)備也有類似限制(tLOW:SEXT).

對(duì)總線操作的另一個(gè)SMBus限制是超時(shí)TTIMOUT，在此之后，總線被假定掛起，連接到總線的所有設(shè)備必須重置其I/O接口并準(zhǔn)備接收啟動(dòng)條件。

AVSBus是PMBus的專用擴(kuò)展

自適應(yīng)電壓標(biāo)度(AVS)是一種閉環(huán)動(dòng)態(tài)功率最小化技術(shù)。AVS控制允許根據(jù)瞬時(shí)工作負(fù)載和單個(gè)IC參數(shù)的需要，連續(xù)調(diào)整提供給IC的電壓，自適應(yīng)電壓縮放可使功耗降低60%以上。

使用自適應(yīng)電壓技術(shù)從而節(jié)約能源(圖：TI)

AVSBus最初是在TI開發(fā)的，它是一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓和頻率標(biāo)度(DVFS)的手段。TI向SMIF提供了AVSBus技術(shù)。在SMIF PMBus規(guī)范工作組進(jìn)一步開發(fā)后，AVSBus于2014年3月作為PMBus 1.3版第三部分發(fā)布。

SMBus 3.0的1MHz最大總線速度不足以實(shí)現(xiàn)ASIC和FPGA等大型數(shù)字IC的自適應(yīng)電壓縮放。PMBus 1.3標(biāo)準(zhǔn)使用1MHz最大總線速度需要35μs才能發(fā)出電壓命令，速度太慢，無法用于滿足當(dāng)今FPGA和ASIC迅速響應(yīng)的要求。AVSbus通過兩種方式加速通信：將最大總線速度推高至50MHz，并使用固定的32位幀。因此，AVSBus可以在640ns內(nèi)發(fā)出“更改電壓”的命令。

AVSbus擴(kuò)展使用了一個(gè)簡(jiǎn)單(僅9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)命令)和高效的命令集，專門優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓縮放。主命令用于讀取或設(shè)置電壓，并固定在1mV/bit。它的電壓設(shè)置范圍從0 V到65.535V，這超出了大多數(shù)應(yīng)用的要求。

總之，AVSBus是一種特定于應(yīng)用程序的協(xié)議，允許諸如ASIC、FPGA或處理器等電源設(shè)備控制其自身電壓以節(jié)省功耗。PMBus是一種開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它定義了與功率轉(zhuǎn)換和其他設(shè)備通信的方法，允許有效配置和控制以及遙測(cè)數(shù)據(jù)。將這些協(xié)議組合在從屬設(shè)備中是一種有效的解決方案，用于包含需要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓縮放的負(fù)載系統(tǒng)。