使用PMBus指令與數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交互

數(shù)字電源轉(zhuǎn)換極大地降低了產(chǎn)品設(shè)計人員的設(shè)計風(fēng)險，并增加了設(shè)計靈活性。 圖 1 顯示了數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的基本功能塊，有了這些功能塊就可以通過編輯參數(shù)來調(diào)節(jié)如輸入、輸出電壓和電流限值之類關(guān)鍵設(shè)置，從而避免了因修改參數(shù)而必須重新焊接模擬替代元器件的需要。

圖 1：數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的參數(shù)是通過寫入寄存器來確定的。

作為與轉(zhuǎn)換器寄存器進(jìn)行交互的方式，PMBus 規(guī)范提供了一個便利的平臺。 PMBus 從流行的系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 規(guī)范發(fā)展而來，因此依賴包含控制、數(shù)據(jù)和時鐘信號的 I2C 總線物理連接。 當(dāng)然，相比 SMBus 和 I2C，PMBus 具有大量增強(qiáng)功能，如超時功能帶來的額外強(qiáng)大性能，以及錯誤檢查和故障處理功能，以降低噪聲靈敏度。

PMBus 是數(shù)字電源時代的自然產(chǎn)物，適合與所有類型的數(shù)字轉(zhuǎn)換器通信，包括像中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 和非隔離式負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器這樣的 AC/DC 前端電源、隔離式 DC/DC 穩(wěn)壓器。 諸如 Murata D1U54P-W-650-12-HBxC 系列 AC/DC 前端轉(zhuǎn)換器或 CUI NDM2Z-25 負(fù)載點(diǎn) (POL) 轉(zhuǎn)換器之類器件，帶有集成 PMBus 端口，允許設(shè)備直接連接到總線，從而實(shí)現(xiàn)與主機(jī)控制器的信息交換。 這可以是外部系統(tǒng)，如自動測試設(shè)備 (ATE) 或提供一個 GUI 來配置和監(jiān)控電源元件的 PC 軟件，或者是能實(shí)時管理電源的嵌入式控制器。

另一方面，還有大量符合 PMBus 規(guī)范的電源管理 IC (PMIC)，如 Maxim MAX34451，它們能連接到 PMBus，并能監(jiān)控多個轉(zhuǎn)換器。 圖 2 所示 MAX34451 能支持 16 個通道的電壓或電流監(jiān)控、12 個通道的定序和裕量管理，以及多至 5 個溫度傳感器。 電流監(jiān)控可以通過如 Allegro Microsystems ACS723 隔離式電流檢測 IC 之類設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

圖 2：PMBus 兼容 PMIC 可以監(jiān)視和控制 POL 轉(zhuǎn)換器陣列。

PMBus 規(guī)范旨在最大限度地提高用戶的靈活性。 為此，符合規(guī)范的設(shè)備必須能夠在沒有 PMBus 控制器的情況下獨(dú)立啟動，并能夠自動加載默認(rèn)設(shè)置；設(shè)備可以通過 PMBus 配置一次，然后在整個設(shè)備生命周期一直運(yùn)行下去，或由系統(tǒng)軟件實(shí)時管理。 若需要，遠(yuǎn)程更新也可在現(xiàn)場進(jìn)行，以幫助降低設(shè)備擁有成本。

該規(guī)范定義了大量指令，以便讓主機(jī)與連接的設(shè)備交互。 但是，這些設(shè)備不一定要支持所有指令才會被認(rèn)可為 PMBus 兼容。 當(dāng)選擇設(shè)備時，檢查支持的指令集很重要。 另一方面，規(guī)范允許廠商創(chuàng)建特定指令，例如控制給定設(shè)備的特有或差異化的功能。 值得注意的還有主機(jī)通知功能，它允許連接的設(shè)備警告控制器需要注意的問題。雖然許多設(shè)備都支持該功能，但對于 PMBus 設(shè)備，該功能是可選的。

PMBus 配置和測試指令

電源設(shè)計平臺，如 Texas Instruments 的 WEBENCH 或 Linear Technology LTpowerPlay?，在開發(fā)和生產(chǎn)期間為工程人員提供一種便利的與數(shù)字電源交互的方式，以執(zhí)行設(shè)置和基本測試。 某些最基本的指令用于打開和關(guān)閉設(shè)備，以及執(zhí)行裕量測試。

裕量測試指令 VOUT_MARGIN_HIGH 和 VOUT_MARGIN_LOW 提供了一種快速簡單的方式，來驗(yàn)證系統(tǒng)是否能在整個制造公差范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。 OPERATION 指令指示轉(zhuǎn)換器啟動、停止或?qū)⑤敵鲭妷焊牡揭蟮脑Ａ侩妷骸?/p>

ON_OFF_CONFIG 指令確定轉(zhuǎn)換器啟動或關(guān)閉的條件。 它可配置成在供電后立即啟動、或者等待另外的信號。 類似地，轉(zhuǎn)換器可能需要立即關(guān)閉，或者經(jīng)過延遲后再關(guān)閉。 TON_DELAY、TON_RISE、TOFF_DELAY 和 TOFF_FALL 等指令控制對啟用/禁用信號的響應(yīng)時間長度以及輸出的上升或下降速率。 這可用來管理多電源軌系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器定序。 此外，還有大量更改和校準(zhǔn)輸出電壓的指令，包括 VOUT_COMMAND、VOUT_TRIM 和 VOUT_CAL_OFFSET。

設(shè)計人員還可以利用一些指令來幫助在板載非易失性存儲器上存儲參數(shù)和防止轉(zhuǎn)換器應(yīng)用不當(dāng)設(shè)置。 這些指令包括 STORE_DEFAULT_ALL、RESTORE_DEFAULT_ALL、STORE_DEFAULT_CODE、RESTORE_DEFAULT_CODE、WRITE_PROTECT 和 PHASE。 PHASE 可用于確保多電壓軌或多相系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器對正確的指令作出響應(yīng)。

轉(zhuǎn)換器配置的另一個重要方面是確定檢測到故障時的響應(yīng)。 根據(jù)系統(tǒng)或應(yīng)用的類型或者存在問題的電壓軌，處理過流或欠壓等故障的適合方式可能是等待一段時間再關(guān)閉，或者關(guān)閉并嘗試重啟特定次數(shù)，或者立即關(guān)閉且不再采取任何措施。 諸如 IOUT_OC_FAULT_LIMIT、IOUT_OC_FAULT_RESPONSE、VIN_UV_FAULT_LIMIT、VIN_UV_FAULT_RESPONSE、OT_FAULT_LIMIT 和 OT_FAULT_RESPONSE 之類指令可讓用戶靈活地選擇故障管理選項。 若選中的配置需要用戶交互才能重啟轉(zhuǎn)換器，則 CLEAR_FAULTS 指令提供重置故障狀態(tài)寄存器位的方式，以便可以開始重啟。

系統(tǒng)診斷支持

數(shù)字電源和 PMBus 通信的組合簡化了系統(tǒng)設(shè)計人員和廠商的工作，具有諸多優(yōu)勢，如更短的設(shè)計周期、更輕松地執(zhí)行嚴(yán)格的測試?yán)?，以及允許在生產(chǎn)線上對各裝置針對特定應(yīng)用或市場進(jìn)行自定義，從而實(shí)現(xiàn)靈活的產(chǎn)品管理。

PMBus 還提供許多方式來幫助管理和維護(hù)現(xiàn)場部署的系統(tǒng)。 這些指令提供了監(jiān)控轉(zhuǎn)換器狀態(tài)和收集遙測數(shù)據(jù)的方式，收集的數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控系統(tǒng)健康、支持預(yù)測性維護(hù)。 遙測指令包括 READ_VIN、READ_VOUT、READ_IIN、READ_IOUT、READ_TEMPERATURE、READ_DUTY_CYCLE、READ_PIN 和 READ_POUT。

對于狀態(tài)報告，STATUS_BYTE 指令可檢查八個最關(guān)鍵的電源轉(zhuǎn)換器故障的狀態(tài)標(biāo)記。 STATUS_WORD 是一個 16 位的狀態(tài)字，不僅含有八個 STATUS_BYTE 標(biāo)記，還有另外八個狀態(tài)標(biāo)記，包括其他故障或警告、以及一個電源不良標(biāo)記。 這兩個指令允許系統(tǒng)快速有效地檢查轉(zhuǎn)換器狀態(tài)。 STATUS_BYTE 尤其有效，即使當(dāng)總線上出現(xiàn)大量其它流量時，也可對重要指標(biāo)進(jìn)行檢查。 若發(fā)現(xiàn)其中一個狀態(tài)標(biāo)記指示故障，系統(tǒng)可以查詢相關(guān)寄存器的完整內(nèi)容，以獲取更多信息。 圖 3 詳細(xì)說明了狀態(tài)字節(jié)和狀態(tài)字的內(nèi)容及其相關(guān)寄存器。

圖 3：狀態(tài)字節(jié)和狀態(tài)字以及關(guān)聯(lián)的條件寄存器。

性能和效率的動態(tài)優(yōu)化

可以說，對于當(dāng)今追求利用數(shù)字電源的設(shè)計人員而言，最令人興奮的機(jī)會之一就是能使用 PMBus 通信功能提高系統(tǒng)性能和效率。 數(shù)字控制的靈活性，結(jié)合廠商特定 PMBus 指令的其它功能，現(xiàn)在允許在運(yùn)行過程中應(yīng)用優(yōu)化的反饋回路參數(shù)，或者甚至在負(fù)載電容已知后計算系統(tǒng)中的這些參數(shù)。 這與固定參數(shù)的傳統(tǒng)電源模塊形成對比，后者只能針對較小范圍的負(fù)載電容較好地工作。 超出此范圍的負(fù)載會導(dǎo)致性能下降，或者轉(zhuǎn)換器反饋回路變得不穩(wěn)定。

此外，最佳能效電壓調(diào)節(jié)可通過 PMBus 指令有效解決。 最新版 PMBus 1.3 規(guī)范引入了對電壓調(diào)節(jié)支持的重要擴(kuò)展。 在負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器為微處理器或 FPGA 供電的情況下，動態(tài)電壓調(diào)節(jié) (DVS) 就是一項成熟的技術(shù)，允許負(fù)載設(shè)備對核心邏輯發(fā)出較低供電電壓的指令，從而在需求降低時節(jié)省電能。 DVS 是一項開環(huán)技術(shù)，處理器可以通過它按需更改操作頻率，并可參考查詢表，從轉(zhuǎn)換器請求適當(dāng)?shù)墓╇婋妷骸?/p>

最新的 PMBus 規(guī)范允許設(shè)計人員利用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) (AVS)實(shí)現(xiàn)更精確的工作電壓優(yōu)化。 因?yàn)?AVS 用實(shí)時反饋來連續(xù)更新請求的電壓，任何過程相關(guān)的影響因素和依賴溫度的變化也納入了考慮范圍。 這有助于進(jìn)一步減少工作電壓裕量和整體能耗。 相比固定電壓方案，AVS 可以降低高達(dá) 40% 的能耗。

PMBus 1.3 中引入的 AVSBus 支持規(guī)定了轉(zhuǎn)換器和由 AVS_Clock、AVS_MData 及 AVS_SData 信號組成的負(fù)載之間的三線點(diǎn)到點(diǎn)連接。 這是不同于 PMBus 的額外鏈接，它在高得多的 50 MHz 頻率下工作（PMBus 1.2 及以上版在 1 MHz 下工作），因此允許電壓在 640 ns 內(nèi)更新，以響應(yīng)不斷變化的負(fù)載需求。

結(jié)論

PMBus 正日趨廣泛地用于輔助設(shè)計和生產(chǎn)，并且該規(guī)范還在繼續(xù)發(fā)展，以獲取更多改進(jìn)并加入其它特性。 該規(guī)范提供了多種基于 PC 的設(shè)計和配置工具，便于使用 PMBus 指令與數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交互。 各種各樣的指令為應(yīng)用軟件提供了與電源模塊廣泛交互的機(jī)會，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時功率輸出監(jiān)控和調(diào)節(jié)，并因此而優(yōu)化系統(tǒng)的能效和可靠性。 PMBus 規(guī)范所包含的新特性，例如允許支持自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)的 AVSBus，使 PMBus 能夠在其整個工作壽命中幫助優(yōu)化和維護(hù)設(shè)備，并發(fā)揮越來越重要的作用。