電源系統通信支持數字電源發展

簡介

電源子系統目前正在越來越多地集成到整個系統中。電源系統已經從單獨的必不可少的危險裝置轉變成可監控的子系統。當今的系統已經開始將電源子系統視為可控制的外設來對待。這些系統可控制的電源子系統可以實現諸多優勢，如節電、排序及裕度調整等。然而，系統設計人員與電源設計人員必須創建他們自己的用戶方案，因為尚無任何行業標準作為指導。隨著最近對數控電源解決方案的重視，擁有面向電源子系統的標準化系統通信解決方案變得更加重要。新的 PMBus（電源管理總線)、通信協議已經開發成功，用于系統與電源子系統之間的主板和支架 (board-and-shelf) 通信。本文討論了使用 PMBus 時的設計要求。還將舉例討論標準的電源子系統通信解決方案，從而使我們輕松了解 PMBus 的優勢。

電源解決方案的通信

SMBus 是第一批電源子系統通信行業標準中的一個。組織將該總線定義為智能電池系統 (Smart Battery System，SBS) ，即存取總線 (Access bus) 的擴展。存取總線基于具有地址限制的 I²C 總線之上。SMBus 解決方案定義了多主機協議，以滿足電池管理要求。多主機要求是因為系統主機及電池會在不同時間進入主機狀態。目標是擁有這樣的系統：能夠由系統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 (bus etiquette)，如總線 hog 限制及其他超時情況 (time-out)。該協議還解決了許多用戶問題，如用戶在沒有系統通知的情況下進行的自發的電池斷路。為了強化協議，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代碼 PEC。PEC 是一個 8 位 CRC（循環冗余校驗）。

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 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。

PMBus 特殊利益集團 (SIG) 已經選擇將 SMBus 1.1 作為通信協議使用。作為決策的一部分，PMBus SIG 加入了 SBS 組織。除了公共總線之外，電源與電池管理之間還有許多共同利益。PMBus 確實通過采用單個主機簡化了協議。

主機設備可能有多個，但是我們將 PMBus 電源設備定義為從屬。PMBus 利用 SMBus 告警線路向主機發送信號，通知電源設備需要注意。SMBus Alert 通常不用于電池組 (battery pack) 應用程序中。電池應用程序已經關閉了多主機方法和用于主機通知的電池廣播。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 規范還包括用于每個從設備的可選控制信號 PMBus Control。這個 Control 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中可能會需要此接口。

另一個 PMBus 問題是到設備組的通信（但不是同時到所有設備）。例如，如果系統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送停止位。當配置完所有設備之后，再發送停止位，以便觸發該操作。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，因為它是用于 SMBus 或 IPMI 的同一條線路。即使 IPMI 只使用主機寫入 (Master Write) 模式，從設備也必須知道該數據，因此這就要求數據是雙向的。

其他接口線路也可能是雙向的。用于所有三條總線的時鐘線路可能需要是雙向的。如果需要從設備進行時鐘伸展，則時鐘線路是雙向的。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出警報。當主機設備已經知曉告警狀態，告警的從設備將使 SMB 告警線路進入工作狀態。PMBus Control 線路將主機設備連接到一個或多個從設備上，它不是雙向總線。

同步降壓型 PMBus 示例

圖 2 顯示了降壓轉換器的一個簡化示例，其使用了 PMBus 通信。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。uC 或 DSP 可監控各種模擬輸入，其中包括 V_in、V_out、平均電流及穩定。目前的測量方法是使用電感器的 ESR 以及電熱調節器的數字控制器提供的信息來補償溫度。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，控制器可通知系統狀態是否接近操作限制。可將 PMBus Control 連接到輸入數字控制器中的中斷輸入。這樣，通過對數字控制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。

數字控制器如該圖所示，擁有適當的 PWM 分辨率來實現穩壓，2 ns 或更高水平。當這種能力與 PMBus 命令集相結合時，系統就會適應實時響應。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時鐘。此外，它們還擁有 PMBus 支持。數字方式的閉環優勢是，數字控制可以選擇預先配置的適合當前工作要求的環路補償方程。這些環路補償方程可以在制造期間配置，或者可以實時調節。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。

結論
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，而不會引發大量的開銷。PMBus 將會顯著加速數字電源的普及。