數(shù)字電源監(jiān)控和遙測(cè)

數(shù)字電源器件在啟動(dòng)和關(guān)斷之間做什么？?jī)蓚€(gè)核心功能是監(jiān)督和遙測(cè)。監(jiān)控是一種快速作用的安全功能，可防止損壞設(shè)備和/或負(fù)載。遙測(cè)是一項(xiàng)持續(xù)的質(zhì)量管理功能。

在這篇文章中，我們將研究一個(gè)典型的POL內(nèi)部架構(gòu)，并考慮它對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。

POL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 1 顯示了包含三個(gè)主要模塊的簡(jiǎn)化 POL：

Supervisor

Monitor

Digital Processing Unit

數(shù)字處理單元是大腦。（不顯示的是核心功率轉(zhuǎn)換。數(shù)字處理單元負(fù)責(zé)處理PMBus和控制輸入，并斷位POWER_GOOD和故障/。

大多數(shù)設(shè)備都有其中的幾個(gè)，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們可以堅(jiān)持輸入和輸出。

圖1.POL 結(jié)構(gòu)

監(jiān)督

監(jiān)控是一個(gè)快速作用的單比較器或窗口比較器。通常，輸出繞過(guò)數(shù)字處理單元中的狀態(tài)機(jī)，可以直接停止電源轉(zhuǎn)換并置位FAULT/。之后更新數(shù)字處理單元，以便PMBus主機(jī)可以查詢(xún)?cè)O(shè)備的故障寄存器。

監(jiān)控器的目的是保護(hù)負(fù)載和設(shè)備，因此它以一定的精度換取速度。HI/LO 值通常存儲(chǔ)在 NVROM 中，或由 PMBus 通過(guò) VOUT_UV_FAULT_LIMIT 等命令進(jìn)行編程。故障行為也存儲(chǔ)在 NVROM 中，包括重試、重試延遲等。

監(jiān)測(cè)

監(jiān)控是通過(guò)ADC進(jìn)行的高精度測(cè)量。數(shù)字處理單元通常作為狀態(tài)機(jī)或軟件環(huán)路實(shí)現(xiàn)，用于輪詢(xún)ADC輸出數(shù)據(jù)并由PMBus提供。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)還可以用于非常精確的數(shù)字處理單元伺服回路中，以提高輸出精度。

故障

故障可能來(lái)自管理引擎或監(jiān)視器。對(duì)于監(jiān)控器，DAC提供比較器的基準(zhǔn)，輸出直接饋送到FAULT/引腳。對(duì)于監(jiān)視器，數(shù)字處理單元使用數(shù)字比較器或軟件條件指令向數(shù)字處理單元發(fā)送FAULT/引腳。

權(quán)衡取舍

POL 設(shè)計(jì)人員做出的權(quán)衡非常簡(jiǎn)單。安全性決定了哪些輸入和輸出具有監(jiān)控器。監(jiān)控權(quán)衡涉及精度，因?yàn)锳DC占用空間和功耗，以及通道數(shù)量、多路復(fù)用器等。

作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，必須考慮他們的系統(tǒng)將使用數(shù)據(jù)做什么，以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。例如，典型用途是：

系統(tǒng)啟動(dòng)和調(diào)試

效率監(jiān)控

能源監(jiān)控

故障預(yù)測(cè)

優(yōu)化（本地和全局）

精度增強(qiáng)（伺服）

例子

每個(gè)電源架構(gòu)都是不同的，并且沒(méi)有一套通用的權(quán)衡，因此我將提供一些使用主管和監(jiān)視器來(lái)發(fā)揮您的想象力的示例。此外，一旦你看到什么是可能的，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

管理引擎故障生成示例

本示例來(lái)自 LTC2974，這是一款管理四個(gè) POL 的監(jiān)控器 / 監(jiān)視器器件。輸出電壓（它負(fù)責(zé)的POL）具有基于窗口比較器的監(jiān)控器。

圖2.管理引擎生成的故障

跟蹤 4 是器件的 FAULT/ 引腳，跟蹤 3 是器件的 ALERT/ 引腳。我將輸出短路到地面。在此設(shè)備上，接地和故障/變低之間的延遲約為 12us。不久之后，我們也會(huì)收到警報(bào)/拉低。這些非常快，因?yàn)楸O(jiān)控器繞過(guò)監(jiān)控較慢的ADC所涉及的所有狀態(tài)機(jī)，并直接產(chǎn)生故障。它還停止了電源轉(zhuǎn)換。

查看 PMBus，PMBus 主機(jī)執(zhí)行了警報(bào)響應(yīng)地址 （ARA） 事務(wù)。地址 0 × 0C 放置在總線上，故障設(shè)備將 0 × 64 放在總線上。主機(jī)將此右移位，以獲取地址 0 × 32。然后，主機(jī)通過(guò)在總線上放置地址 0 × 32，后跟命令字節(jié) 0 × 79 來(lái)讀取故障寄存器。然后在總線上重復(fù)以地址 0 × 32 開(kāi)頭，并返回兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，狀態(tài)字為 0 × 8041。

圖3.錯(cuò)誤字位

查看此器件的數(shù)據(jù)表，它顯示了欠壓故障。

我們還可以使用顯示設(shè)備寄存器和狀態(tài)的外部工具來(lái)查看這一點(diǎn)。

圖4.故障狀態(tài)

還記得我在第二篇文章中介紹的使用模型嗎？

管理引擎導(dǎo)致支持兩種模型的故障。它可以由 PMBus 或外部工具處理。

注意：我們將在以后的文章中看到它的實(shí)現(xiàn)，但基本上 ALERT/ 引腳與微控制器中斷相關(guān)聯(lián)。

溫度監(jiān)測(cè)示例

許多器件可以通過(guò)二極管監(jiān)控內(nèi)部芯片溫度和外部溫度。在本例 （LTC3880） 中，我有一個(gè)通過(guò) PMBus 監(jiān)控電源軌的電路板管理器，并具有一個(gè) LCD 觸摸屏顯示器。

圖5.溫度監(jiān)測(cè)

遙測(cè)圖顯示了內(nèi)部芯片溫度。當(dāng)我將手指放在設(shè)備上并且它冷卻下來(lái)時(shí)，圖表中的下降發(fā)生了。圖中的最小值和最大值分別為 30 度和 40 度。您可以看到測(cè)量非常好。

該設(shè)備將使用此溫度來(lái)保護(hù)自己，但也可用于檢測(cè)更細(xì)微的問(wèn)題。如果添加 I2C溫度監(jiān)控器件和PCB周?chē)胖?a target="_blank">傳感器，在傳感器和所有PMBus器件之間，可以得到相當(dāng)好的電路板輪廓。您可以使用它通過(guò)控制負(fù)載來(lái)平衡溫度，表征不同負(fù)載下的系統(tǒng)，或者只是向系統(tǒng)操作員發(fā)送警告消息，以便他們可以更換電路板并將其送去維修。

為了提高效率，也可以這樣做。通過(guò)測(cè)量輸入和輸出電壓及電流，您可以動(dòng)態(tài)計(jì)算功率效率，并通過(guò)轉(zhuǎn)移工作負(fù)載來(lái)使用這些信息進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以使轉(zhuǎn)換器更接近其最佳效率。您還可以查找可能在問(wèn)題發(fā)生之前檢測(cè)到問(wèn)題的非典型模式。董事會(huì)經(jīng)理通常具有通信接口，可以為您發(fā)送這些通知。

自治系統(tǒng)與托管系統(tǒng)

我想將這些性能參數(shù)放在使用模型的上下文中：

在我的第一篇文章中，我介紹了兩種使用模型：

配置和部署

監(jiān)控和行動(dòng)

描述這些的另一種方法是自治系統(tǒng)與托管系統(tǒng)。自主系統(tǒng)是指電源轉(zhuǎn)換器上電并完全獨(dú)立于 PMBus 運(yùn)行的系統(tǒng)，與模型 1 非常相似。受管系統(tǒng)主動(dòng)使用 PMBus，與模型 2 非常相似。

這些模型具有不同的性能影響。PMBus有自己的性能，受到400Khz（典型）總線時(shí)鐘的限制。監(jiān)控性能與PMBus無(wú)關(guān)，無(wú)論是作為模擬比較器和直接邏輯實(shí)現(xiàn)，還是在數(shù)字處理單元中實(shí)現(xiàn)較慢的邏輯。

在托管系統(tǒng)（如 Monitor 和 Act）中，Act 部分具有與自治系統(tǒng)相同的性能，直到 PMBus 處于主機(jī)的決策循環(huán)中。一旦主機(jī)必須讀取遙測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)設(shè)備應(yīng)用一些功能或參數(shù)更改，性能通常就會(huì)受到 PMBus 的限制。

受管系統(tǒng)性能在性質(zhì)上也有所不同，因?yàn)橹鳈C(jī)必須管理多個(gè)軌，其中的數(shù)量取決于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。假設(shè)讀取一個(gè)值并更改一個(gè)值作為響應(yīng)需要 200uS（400kHz 總線）。假設(shè)我在主機(jī)的控制回路中有 10 個(gè)電源軌，現(xiàn)在我有 2mS?，F(xiàn)在，添加一些我2用于監(jiān)測(cè)溫度的C芯片。在主機(jī)中添加與PMBus無(wú)關(guān)的其他功能，最終系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間比數(shù)字處理單元慢。此外，如果您以 100kHz 運(yùn)行總線，因?yàn)橐恍┹^慢的 I2C設(shè)備，事情變得更慢了。

正是出于這個(gè)原因，使用了混合使用模型，其中關(guān)鍵功能全部由數(shù)字處理單元（和快速監(jiān)控器）處理，不依賴(lài)于PMBus，而能耗和故障預(yù)測(cè)等更高級(jí)別的功能由PMBus主機(jī)處理。

出于同樣的原因，當(dāng)不需要更高級(jí)別的功能時(shí)，設(shè)備本身就可以正常工作，而PMBus是配置工具的推動(dòng)者。特別是，PMBus工具對(duì)于電路板啟動(dòng)非常有用。工具以?xún)x表板格式顯示系統(tǒng)所有軌的狀態(tài)：遙測(cè)、故障和設(shè)置。

回顧

大多數(shù)數(shù)字電源設(shè)備都有監(jiān)控器和監(jiān)視器。我將主管描述為快速作用的安全裝置，將監(jiān)視器描述為遙測(cè)的采樣裝置。這是一種方便的分類(lèi)方法，但要小心術(shù)語(yǔ)，尤其是關(guān)于主管和故障的術(shù)語(yǔ)。有時(shí)，“Supervisor”一詞應(yīng)用于使用來(lái)自監(jiān)視器的數(shù)據(jù)的故障生成技術(shù)，然后它通常比比較器具有更大的延遲。

這沒(méi)有錯(cuò)。如果設(shè)備已經(jīng)需要監(jiān)視器，并且不需要超快地發(fā)生故障，為什么還要為不需要的比較器和邏輯付費(fèi)呢？只需閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)并仔細(xì)查看其框圖，即可了解器件的行為方式。芯片設(shè)計(jì)師非常擅長(zhǎng)做出權(quán)衡，但只有您可以確認(rèn)它們適用于您的應(yīng)用。但一般來(lái)說(shuō)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)如果是安全問(wèn)題，就會(huì)有比較器，如果是精度問(wèn)題，就會(huì)有高精度ADC。

雖然主管的使用非常明顯，但顯示器有時(shí)被低估了，直到您希望擁有它們。很容易專(zhuān)注于調(diào)整電源軌尺寸、考慮瞬態(tài)響應(yīng)和所有其他模擬行為，而不考慮系統(tǒng)級(jí)機(jī)會(huì)。但是，一旦您擁有 PMBus 及其所有控件、用于存儲(chǔ)設(shè)置的 NVMRAM 和用于配置的軟件工具，請(qǐng)考慮您可以如何處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。只要多付出一點(diǎn)努力，您就可以找到競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。您也不必預(yù)先實(shí)施所有固件。固件的好處是您無(wú)需更改硬件即可升級(jí)它。

審核編輯：郭婷