采用PMBus的數(shù)字電源控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作性

數(shù)字電源技術(shù)的采用幾乎是普遍的，但實(shí)現(xiàn)不同制造商的設(shè)備之間的真正互操作性以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多源化仍然是難以捉摸的。這種具有多個數(shù)字控制DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊源的能力對于電信，數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計人員來說至關(guān)重要，因?yàn)樾屎驮O(shè)計壽命都是重要的要求。

基于數(shù)字電源在PMBus及其SMBus通信結(jié)構(gòu)上，設(shè)計人員可以利用基于軟件的功率控制來實(shí)現(xiàn)高水平的整體系統(tǒng)效率。但是PMBus并不夠深入。它已經(jīng)像現(xiàn)代電力（AMP）集團(tuán)的建筑師那樣努力實(shí)現(xiàn)一定程度的設(shè)備互操作性，這將允許來自一家公司的轉(zhuǎn)換器被視為來自另一家公司的第二來源。這確保了供應(yīng)鏈的連續(xù)性，在現(xiàn)場快速更換產(chǎn)品，并為設(shè)計壽命提供必要的保證。

本文將在介紹數(shù)字控制DC/DC轉(zhuǎn)換器之前快速了解PMBus以及如何使用它。最后將介紹可互操作的器件以及多源DC/DC轉(zhuǎn)換器的后續(xù)步驟。

什么是PMBus和SMBus？

由數(shù)字電源開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟定義（DOSA），PMBus正是它的目標(biāo)：一種靈活，強(qiáng)大的數(shù)字電源系統(tǒng)管理工具，提供通過數(shù)字通信總線與電源轉(zhuǎn)換器通信的標(biāo)準(zhǔn)方法。它支持嵌入式和分立式轉(zhuǎn)換器，以及完整和購買的轉(zhuǎn)換器。它具有幾乎所有用戶所需的高級功能，同時還包括用于控制成本的面向應(yīng)用的功能集。

PMBus是系統(tǒng)管理總線（SMBus）的一種變體，簡單，單一 - 結(jié)束，雙線總線來自I 2 C，但具有更明確的電壓電平和時序，以及時鐘，數(shù)據(jù)和指令。

規(guī)范有兩部分：第1部分是傳輸，它處理尋址和硬連線信號，例如CONTROL信號（開/關(guān)）。第二部分是命令語言，包括配置，控制，狀態(tài)監(jiān)控，故障管理和信息存儲。

雖然DOSA喜歡SMBus及其I 2 C根，但它增加了要解決的功能我 2 C的缺點(diǎn)。例如，為了防止從設(shè)備掛起總線，PMBus超時強(qiáng)制設(shè)備重置。要通過輪詢檢索設(shè)備信息，PMBus SMBALERT＃行充當(dāng)中斷，而Automatic Bitwise提供同時請求的仲裁。 PMBus還定義了容錯，最大總線電容（400 pF）以及一條總線上的最大設(shè)備數(shù)。超過100個設(shè)備地址可用。

也就是說，并非所有PMBus設(shè)備都支持所有命令：支持基于應(yīng)用程序和價格點(diǎn)。 PMBus設(shè)備制造商有32個命令代碼，用于支持用戶庫存和配置數(shù)據(jù)，例如數(shù)字控制回路系數(shù)。然后，有45個命令代碼保留給PMBus設(shè)備制造商，以實(shí)現(xiàn)特定于制造商的命令。這為制造商之間的差異打開了大門，并且缺乏關(guān)于設(shè)備之間命令級互操作性的不確定性和模糊性。

通常，監(jiān)控的參數(shù)包括輸入和輸出電壓和電流，保持電容電壓，溫度（最多3個傳感器），風(fēng)扇速度，占空比和開關(guān)頻率。

內(nèi)置保護(hù)功能in，例如數(shù)據(jù)包錯誤檢查以防止損壞的傳輸，以及寫保護(hù)引腳和WRITE_PROTECT命令，以防止不必要或無意的數(shù)據(jù)更改（圖1）。

圖1：PMBus連接指定Write_Protect，Control_Signal和SMBALERT＃信號是可選的，而硬連線的Physical_Address引腳是必需的。 （圖像來源：系統(tǒng)管理界面論壇）

最新版本PMBus 1.3帶來了許多一般性的改進(jìn)。其中主要是自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）。這使您可以靜態(tài)和動態(tài)地控制處理器電壓。該集團(tuán)還增加了高速通信以減少延遲。

PMBus被IC和電源制造商廣泛采用，并在縮短產(chǎn)品上市時間，提高互操作性和降低復(fù)雜性方面做了大量工作。然而，三家公司：Murata，愛立信電源模塊和CUI，Inc。得出的結(jié)論是，它沒有深入到各種物理和硬件方面，無法為數(shù)字電源組件（如DC/DC轉(zhuǎn)換器）提供多源和標(biāo)準(zhǔn)編程接口。 。

現(xiàn)代電源架構(gòu)師（AMP）實(shí)現(xiàn)多源化

隨著IP流量的增加，數(shù)字控制DC/DC轉(zhuǎn)換器和負(fù)載點(diǎn)的應(yīng)用越來越多（PoL） ）用于電信，數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)中心的高端處理器的監(jiān)管機(jī)構(gòu)。這意味著您需要確保關(guān)鍵的高效功率組件具有多個來源，以確保通過供應(yīng)鏈穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)設(shè)計連續(xù)性。從本質(zhì)上講，如果一個部件發(fā)生故障或公司停止支持該部件，您必須能夠?qū)⒁粋€公司的高效部件與另一個公司的相似或更好的部件交換。

這是形成該部件背后的推動力。村田，愛立信和CUI的現(xiàn)代電力（AMP）集團(tuán)的建筑師。他們的目標(biāo)包括為其產(chǎn)品建立通用的機(jī)械和電氣規(guī)范，監(jiān)控，控制和通信功能的標(biāo)準(zhǔn)化，以及為每個公司的產(chǎn)品之間的即插即用互操作性創(chuàng)建通用配置文件。

前兩組標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)字負(fù)載點(diǎn)和高級總線轉(zhuǎn)換器，于2014年11月公布，并且每個標(biāo)準(zhǔn)下都定義了越來越多的標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。每個組中的設(shè)備具有匹配的功能集和兼容的配置文件。

數(shù)字負(fù)載模塊標(biāo)準(zhǔn)CUI Ericsson Murata picoAMP picoAMP-6 - BMR461 OKDL-T/6 picoAMP-12 - BMR461 OKDL-T/12 picoAMP-18 - BMR461 OKDL-T/18 microAMP microAMP-20 - BMR463 OKDX-T-20 OKDY-T-20 OKDH-T-20 microAMP-25 NDM2Z-25 BMR463 OKDX-T-25 OKDY-T-25 OKDH-T-25 megaAMP megaAMP-40 - BMR464 OKDX-T-40 OKDY- T-40 OKDH-T-40 megaAMP-50 NDM2Z-50 BMR464 OKDX-T-50 OKDY-T-50 OKDH-T-50 teraAMP teraAMP-90 NDM3Z-90 BMR465 - 高級總線轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)CUI Ericsson Murata ABC-ebAMP NEB -D BMR457 DBE NEB-N ABC-qbAMP NQB-D BMR456 DBQ NQB-N

圖2：截至2016年12月，AMP集團(tuán)已定義了兩個主要標(biāo)準(zhǔn)組，其中共有34個產(chǎn)品按10個標(biāo)準(zhǔn)分類。 （來源：AMP Group）

對于數(shù)字負(fù)載點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)為：PicoAMP（6至18 A），microAMP（20至25 A），megaAMP（40至50 A），gigaAMP（60 A）和teraAMP（90至120 A），gigaAMP是最近公布的標(biāo)準(zhǔn)（2016年9月）。所有都定義了水平和垂直配置。

高級總線轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)是ABC-ebAMP（264到300 W），ABC-qbAMP（420到468 W），以及最近公布的標(biāo)準(zhǔn)（2016年10月） ）HPABC-qbAMP（1000 W）。所有都帶有定義的數(shù)字和模擬配置。

應(yīng)用AMP產(chǎn)品

電信交換中心或視頻服務(wù)器的高端處理器內(nèi)核可能需要瞬時PoL電流至150 A或更高，同時在1 V或更低的電壓下工作。這些是極端情況，但隨著處理和數(shù)據(jù)要求的增加而變得越來越普遍。如果你是一個優(yōu)秀的電源設(shè)計師，你很可能會設(shè)計一個堅固的分立電源，在5或10層印刷電路板上提供6 A電流。然而，能夠滿足布局，抗噪聲和熱管理要求的經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計人員正變得越來越少，同時，電流也在不斷增加，20層印刷電路板正變得越來越普遍。

在許多情況下，電源的設(shè)計最好留給像CUI這樣的公司的專家，這些公司有一個數(shù)字DC/DC模塊，NDM3Z-90，它與AMP集團(tuán)的PoL teraAMP系列產(chǎn)品兼容（圖3） 。非隔離模塊為您提供90 A至0.6 VDC的90 A電壓，輸入電壓為7.5至14 VDC。您的封裝選項(xiàng)為SMT，DIP或SIP，尺寸為50.8 x 19.05 x 10 mm（SMT，DIP）或50.8 x 9.51 x 19.05 mm（SIP）。

圖3：通過連接DDC和SYNC引腳，CUI的NDM3Z-90 PoL轉(zhuǎn)換器可以并聯(lián)模式用于電流共享。最多可以并聯(lián)四個設(shè)備。 （圖片來源：CUI，Inc。）

為了幫助快速補(bǔ)償瞬態(tài)負(fù)載變化，NDM3Z-90配備了自適應(yīng)算法和逐周期充電管理。我們稍后會詳細(xì)討論這些內(nèi)容。

數(shù)字電源模塊使用配置文件來設(shè)置功能和性能參數(shù)，而NDM3Z-90也不例外。標(biāo)準(zhǔn)的寬范圍配置旨在滿足大多數(shù)應(yīng)用需求，因此現(xiàn)貨供應(yīng)，您可以采用默認(rèn)配置，并且很可能滿足您的輸入電壓，輸出電壓和負(fù)載要求。但是，如果您想實(shí)現(xiàn)當(dāng)前共享等功能，則需要使用PMBus接口來調(diào)整配置文件，該文件存儲在非易失性存儲器（NVM）中。

此可配置性說明數(shù)字電源的優(yōu)勢在于它與操作系統(tǒng)緊密配合，提供從開發(fā)到生產(chǎn)和現(xiàn)場的靈活性。

NVM本身實(shí)際上分為兩部分：默認(rèn)NVM和用戶NVM。默認(rèn)值預(yù)先加載了CUI出廠默認(rèn)值并受寫保護(hù)。如果您需要重置或不熟悉數(shù)字電源配置文件，這為學(xué)習(xí)提供了一些空間。可以使用以下命令恢復(fù)默認(rèn)值： RESTORE_DEFAULT_ALL 。

USER NVM也加載了出廠默認(rèn)值，但可通過PMBus接口進(jìn)行寫入和自定義。 STORE_USER_ALL命令將更改的參數(shù)存儲到User NVM。

該模塊與PMBus Ver兼容。 1.2，根據(jù)SMBus規(guī)范，您需要為SCL，SDA和SLRT引腳使用無源上拉電阻。 SLRT用于監(jiān)控故障。為保證上升時間，使用以下公式選擇上拉電阻：

其中T是上升時間，Rp是上拉電阻值和Cp是總線加載。允許的最大總線負(fù)載為400 pF。您應(yīng)該將上拉電阻連接到2.5至5.2 V外部電源，但請注意，此電源需要在上電之前或上電期間存在。如果不可能，您可以使用分壓器而不是外部電源，但請注意，公式中的電阻對應(yīng)于形成分壓器的電阻的并聯(lián)連接。

要設(shè)置PMBus地址，需要在SA和PREF引腳之間連接1％容差電阻（圖4）。

RSA（kΩ）地址0（短）0x26 10 0x19 11 0x1A 12.1 0x1B 13.3 0x1C 14.7 0x1D 16.2 0x1E 17.8 0x1F 19.6 0x20 21.5 0x21 23.7 0x22 26.1 0x23 28.7 0x24 31.6 0x25 34.8 0x26 38.3 0x27 RSA（kΩ）地址42.2 0x28 46.4 0x29 51.1 0x2A 56.2 0x2B 61.9 0x2C 68.1 0x2D 75 0x2E 82.5 0x2F 90.9 0x30 100 0x31 110 0x32 121 0x33 133 0x34 147 0x35 162 0x36 178 0x37無限（開路）0x28

圖4：PMBus模塊的地址通過SA和PREF引腳之間的1％容差電阻在硬件中設(shè)置。 （圖像來源：CUI Inc。）

故障監(jiān)控

數(shù)字電源和電源控制的一個重要啟用功能是故障監(jiān)控，您可以使用NDM3Z上的SLRT引腳實(shí)現(xiàn) - 90。當(dāng)預(yù)先配置的故障或警告條件發(fā)生時，引腳將置為低電平（圖5）。

故障＆amp;警告狀態(tài)PMBus命令概述，電源良好STATUS_WORD
STATUS_BYTE輸出電壓電平STATUS_VOUT輸出電流電平STATUS_IOUT輸入電壓電平STATUS_INPUT溫度電平STATUS_TEMPERATURE PMBus通信STATUS_CML其他STATUS_MFR_SPECIFIC

圖5：響應(yīng)SLRT信號，您可以讀取用于查明發(fā)生了什么故障或警告情況的狀態(tài)命令數(shù)。 （圖像來源：CUI，Inc。）

SLRT將保持低電平，直到CLEAR_FAULTS命令清除故障和/或警告，或直到輸出電壓重新啟用為止。您可以使用命令MFR_SMBALERT_MASK屏蔽哪些故障條件不應(yīng)斷言SLRT引腳。

控制回路和保護(hù)

轉(zhuǎn)換器中的閉環(huán)反饋可補(bǔ)償輸出電流的突然變化或輸入電壓和環(huán)路應(yīng)與輸出濾波器匹配。雖然數(shù)字控制的優(yōu)勢在于可以在不改變元件的情況下改變環(huán)路參數(shù)，但由于印刷電路板中的寄生阻抗以及濾波器元件本身引入的偽像，對輸出濾波器的優(yōu)化仍然很困難。

為了幫助您解決這個問題，NDM3Z-90使用動態(tài)環(huán)路補(bǔ)償（DLC）。這使用算法通過注入已知的激勵信號，測量輸出并相應(yīng)地進(jìn)行補(bǔ)償來識別任何輸出濾波器的特性。

NDM3Z-90具有經(jīng)典的保護(hù)機(jī)制，例如過壓和欠壓保護(hù)，過流和欠流保護(hù)，以及遙感。除了并聯(lián)運(yùn)行電流共享外，它還具有預(yù)偏置啟動功能，電壓跟蹤，輸出電壓排序和數(shù)字直流總線（DDC）。

DDC特別有趣，因?yàn)樗试S產(chǎn)品之間的通信。例如，如果設(shè)置廣播控制，則DDC可用于向組中的其他設(shè)備廣播輸出電壓啟用或輸出電壓電平設(shè)置。當(dāng)配置的設(shè)備收到PMBus OPERATION命令或VOUT_COMMAND時，它將廣播它。順便提一下，您可以使用PMBus命令配置廣播控制：DDC_GROUP。

熱管理和布局

NDM3Z-90通過引腳到電路板的傳導(dǎo)進(jìn)行冷卻，以及通過對流。但是，過溫保護(hù)（OTP）允許您設(shè)置閾值并設(shè)置轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)方式。例如，它可以通過完全關(guān)閉來響應(yīng)，直到PMBus命令清除故障CLEAR_FAULTS。

或者，您可以將其設(shè)置為在溫度高于警告閾值時關(guān)閉并自動打開當(dāng)溫度再次下降。這是默認(rèn)設(shè)置，可以使用PMBus命令輕松更改。

AMP組兼容性

從圖2中可以看出，并非每個轉(zhuǎn)換器都有來自AMP的相應(yīng)設(shè)備小組成員。在NDM3Z-90的情況下，其匹配是愛立信BMR465。然而，村田制作所的OKDY-T/25可與愛立信的BMR463和CUI的NDM2Z-25互操作。

結(jié)論

PMBus的數(shù)字電源控制幫助設(shè)計人員開發(fā)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)的系統(tǒng)高效且具有成本效益。通過與AMP等更深入的兼容性和設(shè)備互操作性，人們也可以對至少其他兩家公司的設(shè)計和供應(yīng)鏈連續(xù)性充滿信心。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)計迅速發(fā)展并成為電信，數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵元素。

展望未來，AMP集團(tuán)繼續(xù)致力于設(shè)計師可用于編程任何AMP的單一GUI兼容設(shè)備，設(shè)置下一階段的設(shè)計連續(xù)性和簡化。它還在考慮滿足數(shù)據(jù)中心應(yīng)用54到1 VDC轉(zhuǎn)換的開發(fā)需求所需的內(nèi)容。