電源系統(tǒng)通信推動數字電源發(fā)展

電源總線標準實現數控電源管理。 電源子系統(tǒng)目前正在越來越多地集成到整個系統(tǒng)中。電源子系統(tǒng)已經從單獨的"必不可少的危險裝置"轉變成可監(jiān)控的子系統(tǒng)。當今的系統(tǒng)已經開始將電源子系統(tǒng)視為可控制的外設來對待。這些系統(tǒng)控制的電源子系統(tǒng)帶來了諸多優(yōu)勢，如：節(jié)電、排序及裕度調整。隨著最近對數字電源管理功能的重視，系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)之間通信的標準化也更加重要。新的 PMBus（電源管理總線）通信協(xié)議已經開發(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。 電源通信 SMBuss （系統(tǒng)管理總線）是第一批電源子系統(tǒng)通信行業(yè)標準中的一個，該標準最初基于 Intel 的 I2C 系統(tǒng)管理總線，但是現在受新創(chuàng)建的 SM-IF（系統(tǒng)管理接口論壇）管理。SMBus 定義了多主機協(xié)議，以滿足在不同時間采集主控設備狀態(tài)的系統(tǒng)主機和電池產生的電池管理需求。目標是擁有這樣的系統(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)。該選項在每個通信數據包末尾包含一個單字節(jié)代碼 PEC。PEC 是一個 8 位 CRC（循環(huán)冗余校驗）。目標是擁有這樣的系統(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)。該選項在每個通信數據包末尾包含一個單字節(jié)代碼 PEC。PEC 是一個 8 位 CRC（循環(huán)冗余校驗）。 本地電源通信當前使用的另一個標準是智能平臺管理接口 (IPMI)。雖然不是為電源通信而專門設計，但在和電源管理相關的許多方面 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入 (Master Mode Write) 而非重啟來更改數據總線方向。IPMI 還比 SMBus 進行更多的會話。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。每個段的最后部分是校驗和，以幫助檢測通信問題。 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之外還具有許多共同利益。PMBus 確實通過為典型工作采用單個主機簡化了協(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現主機通知。當 PMBus 設備宣布 PMBus 告警線路之后，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(jié)順序放置在數據字段中。PMBus SIG 已經選擇 ARA 方法來降低與主機通知相關的復雜性及相應成本。 PMBus 規(guī)范還包括用于每個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(tǒng)需要一個專用的連接，將主機連接至各個從設備或連接至需要這一控制級別的從設備組。盡管這肯定會增加至電源管理的信號走線，但是在需要快速關斷的系統(tǒng)中可能會需要此接口。 如果 PMBus 必須一次與一組設備而不是全部設備通信，還會產生另一個問題。例如，如果系統(tǒng)需要同時啟動三個電源轉換器，則所有三個轉換器都必須接收到同一個命令，以便支持它們各自的輸出。在一個通信包內使用重復的啟動可以執(zhí)行此功能。每個設備被逐個單獨尋址，但是設備間的通信不會發(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 數據或時鐘線路。PMBus 數據線路是雙向的，因為從設備在必須知道該數據。

其他接口線路也可以是雙向的。用于所有三條總線的時鐘線路可能需要是雙向的，例如，如果系統(tǒng)需要從設備進行時鐘伸展（clock stretching），則三條總線的時鐘線路就需要采用雙向線路。當從設備需要更多時間來接收數據位時，或在其他情況中，需要時間以確定是否應知道命令時，會出現時鐘伸展。在跨越隔離邊界的多主機設計中，時鐘線路始終是雙向的。 SMBAlert 線路和 PMBus Control 線路都不是雙向的。從設備控制 SMB 告警線路，不需要知道其他設備是否正在向某些設備發(fā)出警報。當主機設備已經知曉告警狀態(tài)，告警的從設備將使 SMB 告警線路進入工作狀態(tài)。PMBus Control 線路將主機設備連接到一個或多個從設備上。 同步降壓型 PMBus 示例 除了處理系統(tǒng)級電源管理通信之外，PMBus 還可以管理電源子系統(tǒng)自身內部的電源控制。圖2說明了一個采用PMBus 通信的簡化的降壓轉換器。示例中出現的可選的總線保護電路適用于 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(jiān)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 告警線路，控制器可通知系統(tǒng)狀態(tài)是否接近工作極限。PMBus控制線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行編程，來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 已經集成了以全時模式保護功率級的安全電路。此外，這些專用驅動器還集成了許多特殊的功能，如偏置調節(jié)器 (bias regulator) 及運算放大器等，以便為數字控制器供電，并幫助進行信號調節(jié)。

圖中的數字控制器具有適當的PWM分辨率來進行穩(wěn)壓，0.1％ 或更高水平。當這種能力與 PMBus 命令集相結合時，系統(tǒng)就會適應實時響應。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(tǒng)時鐘。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，或者可以實時調節(jié)。無論采用哪一種方法，PMBus 都能提供可完成這項任務的通信方法。 應使用適當的通信總線進行電源控制與配置，以便滿足特定需要。盡管有一些標準能夠滿足少量電源通信要求，但是電源獨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保護。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行配置和通信的需要，而且還提供了與電源解決方案進行通信的系統(tǒng)，而不會引發(fā)大量的開銷。PMBus 將會顯著加速數字電源的普及。