電源系統(tǒng)通信支持?jǐn)?shù)字電源發(fā)展

簡(jiǎn)介

電源子系統(tǒng)目前正在越來越多地集成到整個(gè)系統(tǒng)中。電源系統(tǒng)已經(jīng)從單獨(dú)的"必不可少的危險(xiǎn)裝置"轉(zhuǎn)變成可監(jiān)控的子系統(tǒng)。當(dāng)今的系統(tǒng)已經(jīng)開始將電源子系統(tǒng)視為可控制的外設(shè)來對(duì)待。這些系統(tǒng)可控制的電源子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)諸多優(yōu)勢(shì)，如節(jié)電、排序及裕度調(diào)整等。然而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與電源設(shè)計(jì)人員必須創(chuàng)建他們自己的用戶方案，因?yàn)樯袩o任何行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)。隨著最近對(duì)數(shù)控電源解決方案的重視，擁有面向電源子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)通信解決方案變得更加重要。新的 PMBus（電源管理總線)、通信協(xié)議已經(jīng)開發(fā)成功，用于系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)之間的主板和支架 (board-and-shelf) 通信。本文討論了使用 PMBus 時(shí)的設(shè)計(jì)要求。還將舉例討論標(biāo)準(zhǔn)的電源子系統(tǒng)通信解決方案，從而使我們輕松了解 PMBus 的優(yōu)勢(shì)。

電源解決方案的通信
 

SMBus 是第一批電源子系統(tǒng)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)。組織將該總線定義為智能電池系統(tǒng) (Smart Battery System，SBS) ，即"存取總線 (Access bus) 的擴(kuò)展。"存取總線基于具有地址限制的 I²C 總線之上。SMBus 解決方案定義了多主機(jī)協(xié)議，以滿足電池管理要求。多主機(jī)要求是因?yàn)橄到y(tǒng)主機(jī)及電池會(huì)在不同時(shí)間進(jìn)入主機(jī)狀態(tài)。目標(biāo)是擁有這樣的系統(tǒng)：能夠由系統(tǒng)控制智能電池的電極 (pole)，但是仍然允許電池"請(qǐng)求"幫助和配置充電器。該定義還包括"總線禮節(jié) (bus etiquette)"，如總線 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問題，如用戶在沒有系統(tǒng)通知的情況下進(jìn)行的自發(fā)的電池?cái)嗦?。為了?qiáng)化協(xié)議，還提供了數(shù)據(jù)包糾錯(cuò) (Packet Error Checking)。該選項(xiàng)在每個(gè)通信數(shù)據(jù)包末尾包含一個(gè)單字節(jié)代碼 PEC。PEC 是一個(gè) 8 位 CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）。
 

本地電源通信當(dāng)前使用的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是智能平臺(tái)管理接口 (IPMI)。雖然不是為電源通信而專門設(shè)計(jì)，但在和電源管理相關(guān)的許多方面 IPMI 都有用到。與 SMbus 一樣，IPMI 也是基于 I²C 的，但是只支持主機(jī)模式寫入 (Master Mode Write) 而非重啟來更改數(shù)據(jù)總線方向。IPMI 還比 SMBus 進(jìn)行更多的會(huì)話。設(shè)備需要請(qǐng)求信息或發(fā)送響應(yīng)。通信數(shù)據(jù)包的第一部分是連接報(bào)頭。該部分包括設(shè)備地址。該設(shè)備將接收數(shù)據(jù)包與信息，以識(shí)別數(shù)據(jù)包的功能。數(shù)據(jù)包的第二部分首先是發(fā)送數(shù)據(jù)包的設(shè)備地址，然后是命令和數(shù)據(jù)。每個(gè)段的最后部分是校驗(yàn)和，以幫助檢測(cè)通信問題。
 

PMBus 特殊利益集團(tuán) (SIG) 已經(jīng)選擇將 SMBus 1.1 作為通信協(xié)議使用。作為決策的一部分，PMBus SIG 加入了 SBS 組織。除了公共總線之外，電源與電池管理之間還有許多共同利益。PMBus 確實(shí)通過采用單個(gè)主機(jī)簡(jiǎn)化了協(xié)議。

主機(jī)設(shè)備可能有多個(gè)，但是我們將 PMBus 電源設(shè)備定義為"從屬"。PMBus 利用 SMBus 告警線路向主機(jī)發(fā)送信號(hào)，通知電源設(shè)備需要注意。SMBus Alert 通常不用于電池組 (battery pack) 應(yīng)用程序中。電池應(yīng)用程序已經(jīng)關(guān)閉了多主機(jī)方法和用于主機(jī)通知的電池廣播。當(dāng) PMBus 設(shè)備宣布 PMBus 告警線路之后，該設(shè)備將確認(rèn) PMBus 告警響應(yīng)地址 (ARA)。當(dāng)找到 ARA 之后，告警從屬設(shè)備將把其地址以接收字節(jié)順序放置在數(shù)據(jù)字段中。PMBus SIG 已經(jīng)選擇 ARA 方法來降低與主機(jī)通知相關(guān)的復(fù)雜性及相應(yīng)成本。
 

PMBus 規(guī)范還包括用于每個(gè)從設(shè)備的可選控制信號(hào) PMBus Control。這個(gè) Control 信號(hào)可啟用或禁用電源轉(zhuǎn)換器的輸出。使用此控制信號(hào)的系統(tǒng)需要一個(gè)專用的連接，將主機(jī)連接至各個(gè)從設(shè)備或連接至需要這一控制級(jí)別的從設(shè)備組。盡管這肯定會(huì)增加至電源管理的信號(hào)走線，但是在需要快速關(guān)斷的系統(tǒng)中可能會(huì)需要此接口。
 

另一個(gè) PMBus 問題是到設(shè)備組的通信（但不是同時(shí)到所有設(shè)備）。例如，如果系統(tǒng)需要同時(shí)啟動(dòng)三個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，則所有三個(gè)轉(zhuǎn)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(nèi)使用重復(fù)的啟動(dòng)可以執(zhí)行此功能。每個(gè)設(shè)備被逐個(gè)單獨(dú)尋址，但是設(shè)備間的通信不會(huì)發(fā)送停止位。當(dāng)配置完所有設(shè)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(yīng)用中，通信線路必須跨越隔離邊界。圖 1 顯示了適用于雙向通信線路的光隔離電路。這種方法可用于 PMBus 數(shù)據(jù)或時(shí)鐘線路。PMBus 數(shù)據(jù)線路是雙向的，因?yàn)樗怯糜?SMBus 或 IPMI 的同一條線路。即使 IPMI 只使用主機(jī)寫入 (Master Write) 模式，從設(shè)備也必須知道該數(shù)據(jù)，因此這就要求數(shù)據(jù)是雙向的。
 

其他接口線路也可能是雙向的。用于所有三條總線的時(shí)鐘線路可能需要是雙向的。如果需要從設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘伸展，則時(shí)鐘線路是雙向的。當(dāng)從設(shè)備需要更多時(shí)間來接收數(shù)據(jù)位時(shí)，或在其他情況中，需要時(shí)間以確定是否應(yīng)知道命令時(shí)，會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘伸展。在跨越隔離邊界的多主機(jī)設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘線路始終是雙向的。
 

SMBAlert 線路和 PMBus Control 線路都不是雙向的。從設(shè)備控制 SMB 告警線路，不需要知道其他設(shè)備是否正在向某些設(shè)備發(fā)出警報(bào)。當(dāng)主機(jī)設(shè)備已經(jīng)知曉告警狀態(tài)，告警的從設(shè)備將使 SMB 告警線路進(jìn)入工作狀態(tài)。PMBus Control 線路將主機(jī)設(shè)備連接到一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備上，它不是雙向總線。

同步降壓型 PMBus 示例

圖 2 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)簡(jiǎn)化示例，其使用了 PMBus 通信。示例中出現(xiàn)的可選的總線保護(hù)電路適用于 PMBus 不起作用 (go off-board) 的情況。大多數(shù)情況下，不需要可選電路。uC 或 DSP 可監(jiān)控各種模擬輸入，其中包括 V_in、V_out、平均電流及穩(wěn)定。目前的測(cè)量方法是使用電感器的 ESR 以及電熱調(diào)節(jié)器的數(shù)字控制器提供的信息來補(bǔ)償溫度。在測(cè)量電流強(qiáng)度與溫度的過程中，數(shù)字控制器可以在允許的范圍內(nèi)操作電源轉(zhuǎn)換器。使用 PMB 告警線路，控制器可通知系統(tǒng)狀態(tài)是否接近操作限制?？蓪?PMBus Control 連接到輸入數(shù)字控制器中的中斷輸入。這樣，通過對(duì)數(shù)字控制進(jìn)行編程來提高其采取適當(dāng)措施的速度。在任何情況下，電源都必須是可靠的，能夠保護(hù)自己。新一代的數(shù)字電源設(shè)備 UCD7K 已經(jīng)集成了以全時(shí)模式保護(hù)功率級(jí)的安全電路。此外，這些專用驅(qū)動(dòng)器還集成了許多特殊的功能，如偏置調(diào)節(jié)器 (bias regulator) 及運(yùn)算放大器等，以便為數(shù)字控制器供電，并幫助進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。
 

數(shù)字控制器如該圖所示，擁有適當(dāng)?shù)?PWM 分辨率來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，2 ns 或更高水平。當(dāng)這種能力與 PMBus 命令集相結(jié)合時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)適應(yīng)實(shí)時(shí)響應(yīng)。面向電源控制的數(shù)字控制器新家族成員 UCD9K 現(xiàn)已推出。這些數(shù)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(yùn)行系統(tǒng)時(shí)鐘。此外，它們還擁有 PMBus 支持。數(shù)字方式的閉環(huán)優(yōu)勢(shì)是，數(shù)字控制可以選擇預(yù)先配置的適合當(dāng)前工作要求的環(huán)路補(bǔ)償方程。這些環(huán)路補(bǔ)償方程可以在制造期間配置，或者可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。無論采用哪一種方法，PMBus 都能提供可完成這項(xiàng)任務(wù)的通信方法。

結(jié)論
應(yīng)使用適當(dāng)?shù)耐ㄐ趴偩€進(jìn)行電源控制與配置，以便滿足特定需要。盡管有一些標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足少量電源通信要求，但是電源獨(dú)一無二的要求需要某種程度的修改。此外，類似于電池管理，電源必須自身提供全時(shí)保護(hù)。我們定義了

PMBus，以滿足電源通信的要求。它不僅滿足了在制造過程中進(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(tǒng)，而不會(huì)引發(fā)大量的開銷。PMBus 將會(huì)顯著加速數(shù)字電源的普及。