數(shù)字電源監(jiān)視和遙測(cè)

在啟動(dòng)和停機(jī)之間，數(shù)字電源器件起什么作用呢?兩種核心功能是監(jiān)控和遙測(cè)。監(jiān)控是一種快速動(dòng)作安全功能，其可防止器件和/或負(fù)載受損。遙測(cè)是一種持續(xù)的質(zhì)量管理功能。《Bodo's Power Systems》雜志近期的一則廣告，羅列了上述兩種功能對(duì)于數(shù)字電源有以下好處：

● 優(yōu)化

● 預(yù)見(jiàn)性維護(hù)

● 故障檢測(cè)

在這我們來(lái)看看一種典型的POL內(nèi)部架構(gòu)，并研究其對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。

POL內(nèi)部架構(gòu)

圖1示出了具有3個(gè)主要功能塊的簡(jiǎn)化POL。

● 監(jiān)控器

● 監(jiān)視器

● 數(shù)字處理單元

數(shù)字處理單元是“大腦”(未示出的是內(nèi)核電源轉(zhuǎn)換)。數(shù)字處理單元負(fù)責(zé)處理PMBus和CONTROL輸入，并把POWER_GOOD和FAULT/置為有效。

大多數(shù)器件都具有多個(gè)這樣的POL，不過(guò)為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們可以插入輸入和輸出。

圖1：POL結(jié)構(gòu)

監(jiān)控

監(jiān)控電路是一個(gè)快速動(dòng)作的單通道比較器或窗口比較器。一般地，輸出會(huì)繞過(guò)數(shù)字處理單元中的狀態(tài)機(jī)，并能直接阻止電源轉(zhuǎn)換并把FAULT/置為有效。數(shù)字處理單元之后被更新，這樣PMBus主機(jī)便能查詢器件的故障寄存器。

監(jiān)控器的用途是保護(hù)負(fù)載和器件，因此它會(huì)通過(guò)適當(dāng)犧牲準(zhǔn)確度來(lái)?yè)Q取速度的提升。HI/LO數(shù)值通常存儲(chǔ)于非易失性只讀存儲(chǔ)器(NVROM)之中，或者由PMBus通過(guò)諸如VOUT_UV_FAULT_LIMIT等命令來(lái)編程。另外，故障行為特性也被存儲(chǔ)在NVROM中，并且包括像“重試”、“重試之間的延遲”等。

監(jiān)視

監(jiān)視是一種通過(guò)ADC實(shí)現(xiàn)的高準(zhǔn)確度測(cè)量。數(shù)字處理單元通常作為一個(gè)狀態(tài)機(jī)或軟件環(huán)路(其負(fù)責(zé)輪詢ADC輸出數(shù)據(jù)并使之可為PMBus所用)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，監(jiān)視數(shù)據(jù)也可在一個(gè)非常準(zhǔn)確的數(shù)字處理單元伺服環(huán)路中使用，以改善輸出準(zhǔn)確度。

故障

故障會(huì)因監(jiān)控器或監(jiān)視器而起。對(duì)于監(jiān)控器，DAC給比較器提供一個(gè)基準(zhǔn)，而輸出則直接饋電至FAULT/引腳。而對(duì)于監(jiān)視器，數(shù)字處理單元采用一個(gè)數(shù)字比較器或者至數(shù)字處理單元FAULT/引腳的軟件條件指令。

權(quán)衡折衷

POL設(shè)計(jì)師所做的折衷相當(dāng)直觀明了。安全性規(guī)定了哪些輸入和輸出具有監(jiān)控器。監(jiān)視方面的權(quán)衡則涉及準(zhǔn)確度(因?yàn)锳DC占用電路板面積資源且消耗功率)、以及通道的數(shù)目和多路復(fù)用器等。

作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，他必須考慮其系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)的目的、以及它必須具有多高的準(zhǔn)確度。例如，典型用途如下：

● 系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)行狀況檢驗(yàn)和調(diào)試

● 效率監(jiān)視

● 能耗監(jiān)測(cè)

● 故障預(yù)測(cè)

● 優(yōu)化(局部和全局)

● 準(zhǔn)確度提升(伺服)[!--empirenews.page--]

實(shí)例

每種電源架構(gòu)都有其與眾不同之處，并不存在一組通用的折衷，因此我準(zhǔn)備舉幾個(gè)采用監(jiān)控器和監(jiān)視器的實(shí)例以啟發(fā)您的想象力。此外，當(dāng)了解到相關(guān)的可能性時(shí)，您或許會(huì)發(fā)現(xiàn)一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

監(jiān)控器故障發(fā)生實(shí)例

該實(shí)例取自LTC2974，這款監(jiān)控/監(jiān)視器件可管理4個(gè)POL。其所負(fù)責(zé)的一個(gè)POL的輸出電壓具有一個(gè)基于窗口比較器的監(jiān)控器。

圖2：監(jiān)控器產(chǎn)生的故障

掃跡4是該器件的FAULT/引腳，而掃跡3則是該器件的ALERT/引腳。我把輸出短路至地。在該器件上，接地與FAULT/電平走低之間的延遲大約為12μs。在非常短的時(shí)間之后，我們還使一個(gè)ALERT/拉至低電平。這些都是非常快速的，因?yàn)楸O(jiān)控器繞過(guò)了監(jiān)視較慢ADC所需的全部狀態(tài)機(jī)，并直接產(chǎn)生故障。另外，它還停止了電源轉(zhuǎn)換。

來(lái)看一下PMBus，PMBus主機(jī)完成了一項(xiàng)報(bào)警響應(yīng)地址(ARA)事務(wù)。地址0x0C被置于該總線上，而出故障的器件則把地址0x64放在總線上。主機(jī)將此右移一位以獲得地址0x32。接著，主機(jī)通過(guò)把地址0x32放置在總線上(后隨命令字節(jié)0x79)來(lái)讀取故障寄存器的存儲(chǔ)信息。然后，一個(gè)具有地址0x32的重復(fù)起動(dòng)信號(hào)被置于總線上，并送回兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)以提供一個(gè)0x8041的狀態(tài)字。

圖3：故障字位

查看該器件的數(shù)據(jù)表，其指出將發(fā)生欠壓故障。

另外，我們也可以利用一種外部工具對(duì)此進(jìn)行觀察，該工具可顯示器件的寄存器和狀態(tài)。

圖4：故障狀態(tài)

還記得我的另一篇文章中提出的使用模型嗎?

監(jiān)控器引起了一個(gè)支持兩種模型的故障。其可由PMBus或一種外部工具來(lái)處理。

(注：我們將在今后的文章中看到這種設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，但基本上ALERT/引腳連接至一個(gè)微控制器中斷。)

溫度監(jiān)視實(shí)例

許多器件都能夠利用一個(gè)二極管來(lái)監(jiān)視內(nèi)部芯片溫度和外部溫度。在本例中(LTC3880)，我有一個(gè)電路板管理器，其負(fù)責(zé)通過(guò)PMBus來(lái)監(jiān)視電源軌，并具有一個(gè)LCD觸摸屏顯示器。

圖5：溫度監(jiān)視[!--empirenews.page--]

遙測(cè)曲線圖示出了內(nèi)部芯片溫度。當(dāng)我把手指放在器件上而且它冷卻時(shí)，曲線圖中出現(xiàn)了凹陷。曲線圖上的最小值和最大值分別為30℃和40℃。由圖可見(jiàn)，測(cè)量結(jié)果相當(dāng)不錯(cuò)。

器件將采用這種溫度監(jiān)視電路來(lái)保護(hù)自身，但其亦可用于檢測(cè)更加細(xì)小的問(wèn)題。如果您添加一個(gè)I2C溫度監(jiān)視器件，并把傳感器布設(shè)在一塊介于傳感器和所有PMBus器件之間的PCB周圍，就能很好地了解電路板的工作狀況。您可

以借此來(lái)平衡溫度(通過(guò)控制負(fù)載)，標(biāo)定系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下的特性，或者簡(jiǎn)單地向系統(tǒng)操作員發(fā)送一條警告消息，這樣他們就能將有問(wèn)題的電路板換下并送去維修。

對(duì)于效率也可采取相同的做法。通過(guò)測(cè)量輸入和輸出電壓及電流，您可以在執(zhí)行中計(jì)算電源效率，并運(yùn)用該信息來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化(通過(guò)轉(zhuǎn)移工作負(fù)載以使轉(zhuǎn)換器更接近于其最佳效率)。另外，您也可以注意發(fā)現(xiàn)那些反常的模式，這或許能幫助您在問(wèn)題發(fā)生之前及時(shí)地加以檢測(cè)。電路板管理器通常都具有通信接口，可為您發(fā)出此類通知。

自主型與受管型系統(tǒng)

我想把這些性能參數(shù)放入使用模型的環(huán)境中：

在我的前一篇文章中我提出了兩種使用模型：

1. 配置(Configure)和部署(Deploy)

2. 監(jiān)視(Monitor)和運(yùn)作(Act)

另一種對(duì)此進(jìn)行描述的方法是“自主型與受管型”系統(tǒng)。在自主型系統(tǒng)中，電源轉(zhuǎn)換器的上電和運(yùn)作完全獨(dú)立于PMBus，與模型1很相似。受管型系統(tǒng)則主動(dòng)地采用PMBus，這與模型2十分相像。

這些模型具有不同的性能特點(diǎn)。PMBus自身的性能受限于400Hz(典型值)總線時(shí)鐘。監(jiān)控性能與PMBus無(wú)關(guān)，無(wú)論在數(shù)字處理單元中作為一個(gè)模擬比較器和直接邏輯抑或是較慢邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在受管型系統(tǒng)中(例如：Monitor和Act)，Act部分具有與自主型系統(tǒng)相同的性能，直到PMBus位于一個(gè)由主機(jī)管理的決策環(huán)路中為止。當(dāng)主機(jī)必須讀取遙測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)器件實(shí)施某種功能或參數(shù)變更時(shí)，性能通常受限于PMBus。

另外，托管系統(tǒng)性能也有著很大的不同，因?yàn)橹鳈C(jī)必須管理多個(gè)電源軌(電源軌的數(shù)量取決于系統(tǒng)架構(gòu))。假設(shè)讀取一個(gè)數(shù)值及對(duì)應(yīng)地變更一個(gè)數(shù)值需要200μs的時(shí)間(400kHz總線)。然后假定我在主機(jī)的控制環(huán)路中有10個(gè)電源軌，這樣所需的時(shí)間即為2ms?，F(xiàn)在，增設(shè)幾顆用于監(jiān)視溫度的I2C芯片。在與PMBus無(wú)關(guān)的主機(jī)中添加其他的功能，最終系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間比數(shù)字處理單元慢。此外，如果由于某些較慢的I2C器件的原因而以100kHz的頻率運(yùn)行總線，則響應(yīng)速度將變得更慢。

正因?yàn)槿绱?，我們采用了混合式使用模型，其中關(guān)鍵性的功能全部由數(shù)字處理單元(和快速監(jiān)控器)來(lái)處理，并且不依賴于PMBus，而較高級(jí)的功能(例如：能耗和故障預(yù)測(cè))則由一個(gè)PMBus主機(jī)來(lái)操控。

由于同樣的原因，當(dāng)不需要較高級(jí)的功能時(shí)，器件完全可以自行運(yùn)作，而PMBus是一個(gè)用于配置工具的使能器。特別地，PMBus工具對(duì)于電路板開發(fā)與運(yùn)行狀況檢驗(yàn)是非常有用的。這種工具以儀表板格式來(lái)顯示系統(tǒng)所有電源軌的狀態(tài)：遙測(cè)、故障和設(shè)定值。

回顧

大多數(shù)數(shù)字電源器件都具有監(jiān)控器和監(jiān)視器。我已經(jīng)將監(jiān)控器作為一種快速動(dòng)作安全器件，以及把監(jiān)視器作為一種用于遙測(cè)的采樣器件進(jìn)行了特性分析。這雖然是一種適合分類的簡(jiǎn)便方法，但對(duì)于術(shù)語(yǔ)的使用應(yīng)謹(jǐn)慎從事，特別是關(guān)于監(jiān)控器和故障。有的時(shí)候，“監(jiān)控器”這個(gè)詞語(yǔ)被用于一種采用來(lái)自監(jiān)視器之?dāng)?shù)據(jù)的故障發(fā)生方法，因此其延遲通常大于比較器。

這并沒(méi)有什么毛病。如果某個(gè)器件已經(jīng)需要一個(gè)監(jiān)視器，而且倘若故障不必以超快的速度出現(xiàn)，那么為什么要為并不需要的比較器或邏輯器件“埋單”呢?只需閱讀產(chǎn)品手冊(cè)并仔細(xì)查看其方框圖，就能對(duì)器件的工作原理和特性有所了解。芯片設(shè)計(jì)師對(duì)于權(quán)衡取舍相當(dāng)在行，但所做的折衷是否適合您的應(yīng)用只有您才能確認(rèn)。不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，您將會(huì)發(fā)現(xiàn)：如果它是一項(xiàng)安全性問(wèn)題，將需要采用比較器;而如果是準(zhǔn)確度問(wèn)題，則將采用高準(zhǔn)確度ADC。

雖然使用監(jiān)控器的重要性相當(dāng)明顯，但監(jiān)視器有時(shí)卻并未受到重視，直到您想要用它們的時(shí)候才會(huì)恍然大悟。容易出現(xiàn)的情況是：專注于確定電源軌的高低、研究瞬態(tài)響應(yīng)和所有其他的模擬工作特性，卻并未考慮系統(tǒng)級(jí)的因素。但是，當(dāng)您擁有了PMBus及其所有的控制器、用于存儲(chǔ)設(shè)定值的NVMRAM、以及用于配置的軟件工具時(shí)，應(yīng)考慮能夠利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做些什么。只需多付出一點(diǎn)點(diǎn)精力，您或許就會(huì)發(fā)現(xiàn)一項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而且，您也無(wú)須預(yù)先實(shí)現(xiàn)所有的固件。關(guān)于固件的好事是：無(wú)需變更硬件即可實(shí)現(xiàn)其升級(jí)。

如果您能夠預(yù)知故障或優(yōu)化效率，則常?？梢允栈毓碳矫娴耐顿Y(回收資金可達(dá)開發(fā)成本的100倍)。而所需要的僅僅是：在設(shè)計(jì)中添加或采用一個(gè)現(xiàn)有的FPGA或微控制器，掌握應(yīng)用領(lǐng)域的一些相關(guān)知識(shí)，還有一點(diǎn)點(diǎn)想象力。

在今后的文章中，我將更加詳細(xì)地闡述PMBus集成的問(wèn)題。到目前為止，您很可能覺(jué)得那將需要進(jìn)行大量的工作。不過(guò)，根本沒(méi)有那么困難。