使用數(shù)字功率轉換器與PMBus通信的系統(tǒng)級好處

本文將深入探討使用數(shù)字功率轉換器與PMBus通信的系統(tǒng)級好處。

PMBus可以為交直流電源和DC/DC變換器的設計和生產(chǎn)帶來好處。它可以為復雜的電子系統(tǒng)帶來性能上的好處，這些系統(tǒng)采用分布式電源結構，具有許多負載點（POL）非隔離DC/DC轉換器。將PWM控制器、電感器、功率Mosfet和無源器件集成在一個小封裝中，實現(xiàn)高效率的功率轉換，功率模塊集成電路可以為用戶帶來多項益處。下面的討論從先進能源工業(yè)（Advanced Energy Industries）的Excelsys部門、ADI和瑞薩電子提出的三種不同觀點，說明了使用PMBus通信的數(shù)字功率轉換器的好處。

交直流電源產(chǎn)品生命周期保證

在開發(fā)新的電子系統(tǒng)時，先進能源工業(yè)公司的Excelsys部門發(fā)現(xiàn)，PMBus在整個產(chǎn)品生命周期中對概念開發(fā)、設計、開發(fā)、調試、生產(chǎn)、維護甚至預防器件老化都是有益的。在概念階段，當測試電源的可行性時，PMBus可以支持電壓和電流的快速迭代，這些電壓和電流可以動態(tài)改變，使設計人員能夠最大限度地靈活記錄不同的配置和結果。

在確定設計參數(shù)時，PMBus支持電源配置和所需余量的設置。這使得在PMBus上對每個設備進行峰值測量變得很容易，包括電機啟動和設備循環(huán)期間的讀數(shù)。它還支持測量低電壓和低電流條件下的轉換性能。

在設計定型和調試過程中，PMBus可檢查各種負載的順序，測量工作裕度，檢查超溫運行，可用于探索裕度和排序定時的可能改進，并可幫助識別任何過載或超出規(guī)范/公差的條件。

在從生產(chǎn)到維護的產(chǎn)品生命周期中，以及在老化階段，PMBus可以提供多種好處。在生產(chǎn)過程中，PMBus可用于生產(chǎn)線末端測試，以驗證配置是否正確構建。它可以測量生產(chǎn)過程中的可變性，并幫助確定替代部件，檢查是否改變了操作參數(shù)，并有助于確保產(chǎn)品的一致性。

在電源的使用壽命期間，PMBus可用于監(jiān)控系統(tǒng)并確保其繼續(xù)在規(guī)范范圍內運行。它可以幫助監(jiān)控老化的早期跡象，并確定預防性維護的需求，從而降低擁有成本。在產(chǎn)品壽命結束時，PMBus可以提供所需的數(shù)據(jù)來預測何時會發(fā)生老化，并支持在災難性故障發(fā)生之前及時更換電源。

分布式電源體系結構中的數(shù)字用電模型

ADI對兩種常見的數(shù)字用電模式進行了比較： 配置和部署、監(jiān)控和運行。

PMBus最重要的命令集之一是用于存儲和恢復操作存儲器和非易失性存儲器之間的設置。當與用于更改操作內存（行為）的命令結合使用時，它們支持Configure and Deploy使用模型。

配置和部署

大多數(shù)PMBus產(chǎn)品的制造商都有一個GUI工具，可以通過PMBus與其產(chǎn)品進行通信?；镜氖褂媚Ｊ绞桥渲每偩€上PMBus設備的所有寄存器，并將它們的值存儲在非易失性存儲器中。然后，當系統(tǒng)通電或復位時，所有設備在啟動期間從非易失性存儲器加載數(shù)據(jù)進行操作。

這個模型的基本優(yōu)點是它的簡單性。工具可以通過數(shù)據(jù)、模板和項目重用來減少PMBus配置的復雜性。第二個優(yōu)點是成本較低，因為不需要“額外”器件來管理總線。

該模型的缺點是失去了PMBus在正常運行期間的所有能力。在異常情況下，如故障時，所有設備必須自主反應，但靈活性有限，不能協(xié)調。重置時也是如此。所有設備必須自動啟動。為了克服這一限制，許多設備都有額外的IO引腳，允許設備在沒有PMBus的情況下進行通信。一種常見的方法是在設備之間使用漏極開路信號。通常有三個引腳：

同步/運行/GPIO

LTM4675μ模塊調節(jié)器，帶有同步、運行和GPIO引腳以及用于數(shù)字電源管理的PMBus接口。（圖片：ADI）

同步管腳用于在復位時建立公共時鐘。這允許對開/關事件進行精確的時間校正。運行引腳允許所有設備同時復位，無論是從外部，還是從設備本身。GPIO通常是故障輸出和故障輸入。這允許一個設備的故障傳遞到其他設備。這些管腳不是PMBus規(guī)范的一部分，但卻是配置和部署模型中重要的系統(tǒng)工作。

監(jiān)控和運行

最靈活的使用模式要求PMBus控制器在系統(tǒng)運行期間處于活動狀態(tài)。警報引腳通常連接到控制器上的中斷引腳。當出現(xiàn)故障時，控制器通過獲取故障設備的地址、通過PMBus查詢條件、采取措施糾正問題或關閉電壓軌來對中斷做出反應。

控制器也用于遙測。這些數(shù)據(jù)可用于預測故障、測量功耗或調試罕見故障?？刂破鬟€將在復位時設置所有電壓軌。

監(jiān)控和運行模型具有很高的靈活性，但開發(fā)更為復雜。如果軟件可以在多個設計中復用，則可以將開發(fā)成本降至最低，但增加的硬件成本仍將是一個考慮因素。

數(shù)字電源與PMBus的系統(tǒng)效益

數(shù)據(jù)服務器、網(wǎng)絡設備和基站的配電系統(tǒng)通常需要許多電壓軌，這些電壓軌需要對其他軌道進行排序或跟蹤，以使微處理器、微控制器、ASIC、FPGA和任何其他數(shù)字邏輯IC正確運行。使用支持PMBus的集成DC/DC電源模塊可以為這些復雜系統(tǒng)帶來幾個好處：

支持智能電源管理以最大限度地提高系統(tǒng)性能

使用支持SMBus和PMBus的設備進行功率轉換，提供了傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無法實現(xiàn)的靈活性和控制。通過使用數(shù)字電源，可以通過SMBus和PMBus協(xié)議對主機控制器輕松地管理輸出電壓的調整、功率排序和多個電壓軌的同步。

此外，對于系統(tǒng)監(jiān)控，數(shù)字電源解決方案提供了多種應對故障的方法。過流、欠流、過電壓、欠壓和過溫故障和警告閾值可以在產(chǎn)品的整個生命周期中配置和調整?？蓪崿F(xiàn)監(jiān)測工作溫度，動態(tài)調節(jié)冷卻風扇，以降低系統(tǒng)功耗。

縮短系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)時間

隨著產(chǎn)品設計在各個階段的發(fā)展，設計可能會發(fā)生變化，包括增加電源軌、增加電流或要求更嚴格的瞬態(tài)響應。通常這需要重新設計配電系統(tǒng)，但是使用數(shù)字電源，可以使用行業(yè)標準SMBus輕松地將新的電壓軌添加到電源管理系統(tǒng)中。新電壓軌被整合到具有監(jiān)控、排序、邊緣和故障檢測方案中。新電壓軌的數(shù)字電源IC具有自己的SMBus地址，沒有必要重新編程或添加更多的獨立電源管理集成電路。

數(shù)字電源使系統(tǒng)設計者能夠減少他們在電源系統(tǒng)上的開發(fā)時間，集中精力設計關鍵的產(chǎn)品特性和功能，從而減少產(chǎn)品開發(fā)時間和研發(fā)成本。

降低系統(tǒng)BOM成本，同時提高可靠性和產(chǎn)品壽命

使用數(shù)字電源，許多系統(tǒng)管理和電源控制功能可以通過固件來實現(xiàn)，而不是使用額外的模擬和電源控制器件。系統(tǒng)設計者可以對每個電壓軌使用相同的器件，并且可以在不必更改硬件的情況下更改設備的操作，因此，可以降低BOM成本。此外，使用較少的組件和數(shù)字管理的保護功能，系統(tǒng)還可以具有更高的可靠性和更長的壽命。

在同一機箱內實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設計和產(chǎn)品升級

對高速數(shù)據(jù)、語音和視頻通信的日益增長需求，促使數(shù)據(jù)通信和電信服務供應商要用更快、更可靠、功能更豐富的產(chǎn)品升級其網(wǎng)絡設備。雖然速度和系統(tǒng)功能有所提高，但可用空間有限。這意味著系統(tǒng)設計者需要在電路板上增加更多的功能電路的同時，減少電源占用的面積。有了數(shù)字電源，許多電源監(jiān)控和功率順序控制功能可以很容易地用固件實現(xiàn)。結果就是減少了用于電源功能的PCB面積，并且可以在同一個板區(qū)域中添加更多的功能IC。