标签: PMBus

作者：George10687 第一次观看PMBus演示时的情景一直让我记忆犹新。大约8年前，我和一位电源工程师一起出差，出差期间，观看了PMBus降压控制器的演示。我仅需按下电脑上的一个按键，就可以更改电源软启动、开关频率或输出电压。这真让我大吃一惊，通常情况下，更改这些设计参数需要在实验室中进行，花费时间焊接新电阻器/电容器，然后再测量实际性能。 虽然在那个时候这是一项令人吃惊的技术，但是现在PMBus已经很常见了。越来越多从事有线和无线通信、企业服务器和存储，甚至行业细分领域的公司使用PMBus电源。PMBus如此受欢迎的原因在于它具有以下优点： 易于设计。 缩短了设计时间。 能够监测电源，并筛选出设计不太好的电路板。 使用全新的特定用途集成电路 (ASIC) 时，能够优化功率级（测量实际汲取的电流值，并且不必过度设计输出电感器和输出电容器）。 能够采集数据，在例程中使用，有可能提升数据中心效率和电能利用率。 除此之外，还有一些其它优点： PMBus可以在不需要外部模拟组件的情况下，轻松创建全新电源设计，这样的话，您就不必在工作台上尝试新的电阻器和电容器时忍受烟熏火燎的痛苦了。 通过一个图形化用户界面 (GUI)，PMBus能够实现编程、排序、配置、控制、电压裕量调节、输出电压调节、以及参数和故障监视，这样可快速实现重新设计，并更加智能地对参数和观察到的故障做出响应。 PMBus IC可以免除对外部硬件监视器、监控器、温度传感器，以及针对延迟的分立逻辑电路的需要。   图 1— 接通 / 关闭 PMBus 编程（多个软启动时间） PMBus电源IC包括非易失性存储器 (NVM) ，用于将全新的设计值存储在IC中。然后，这些值在电源断电，由备用电源供电时，成为新的“缺省值”。所以说，在几分钟内，你就拥有了一个全新的电源设计，使你的产品能够更快上市。 PMBus IC免除了对于外部电压裕量调节电路的需要，特别是在有多个电压裕量调节等级的情况下更是如此。   图 2— 通过 PMBus 实现的高、低电压裕量 电源输出电压与电流的遥感监测可被用于云端应用等智能系统电源管理。在此类应用中，运行环境中有很多服务器、存储设备、基站和开关。你可以使用这些信息来改进电能使用效率 (PUE)，而这一点是衡量使用电能的数据中心内，计算设备效率的重要指标。此外，还有与电路板最热部分相关的热遥感以及温度信息，可以在故障发生之前作出预判。 通过为你提供全新ASIC或现场可编程门阵列 (FPGA) 的适合功率级，以使你能够选择最佳输出电感器、电容器和功率级组件，PMBus遥感监测还可以帮助你优化设计。   图 3—  通过 PMBus 实现的输出电压、电流和温度监视 如果你有兴趣了解更多与PMBus电源转换器编程和监视相关的内容，可观看这部视频，“ 如何创建一个PMBus电感器位于顶部的降压转换器设计 ”，并抽时间看一看全新的 PMBus电源解决方案指南 。此外，阅读电源电子 (Power Electronics) 杂志内题为 “ 同步降压转换器用快速负载阶跃响应提供12A电源 ”的文章，了解更多与TI全新 TPS53915 同步降压转换器相关的更多信息，以及How2Power网站内的“PMBus为设计人员提供全新选项来满足自适应电压缩放的需要”。  

很多数字电源产品采用了业界标准PMBus来实现系统结构，以管理并控制多路电源轨结构。但是，很多人并不清楚怎样应用PMBus来解决实际问题。 我打算发表一些有关以实际结构和集成数字电源管理产品为题的相关文章。我会涉及到以下题目：PMBus，使用模型，电源排序，故障处理，工具，嵌入式软件，结构，器件类型，系统调试。 有很多博客和文章都在简要中吹棒数字电源的优点。看过我文章的读者都知道，我非常务实。在这里更是如此。如果我提到软件，那就是代码。如果我提到硬件，那就是原理图。我的文章如果没有达到您的预期，请您提出来。 对于有些基础的人，我从简要介绍PMBus开始，然后是提及工程师们使用的主要应用模型。随后，会越来越深入，直到所介绍的实例足以帮助你们开始自己的设计。 PMBus 大部分人认为PMBus是具有一些额外功能的I 2 C总线，通常并不完全清楚这些额外的功能是什么。实际上，很多设计人员把PMBus当做I 2 C，没有充分发挥其优点。PMBus是SMBus的扩展，而后者是I 2 C的扩展。因此，让我们从I 2 C开始。 I 2 C (Inter-IC) I 2 C不过是具有一对信号的串行总线：CLOCK、DATA。它是双向的，而且是多主机。I 2 C最早出现在1982年，先后有4个调整版本。1992年，正式发布了1.0版。1998年发布2.0版，这一版本非常明确的宣布：I 2 C总线已成为事实上的世界标准，现在已经在1000多种不同的IC上实现，并授权给50多家公司。但是，目前很多应用需要速度更高的总线，电压更低的供电电源。而I 2 C总线规范的更新版满足了这些要求。 后来在2007年，3.0版定义了1Mbit/s时钟速率。2012年，时钟被提高到5Mbit/s。 注释：如果您不熟悉更高比特率的内容，那么，您要小心这一假设。更高的比特率并不意味着低延时。为能够在慢速器件总线上实现更高的比特率，在进入高速传送模式之前，必须要在400Kbit/s的较低比特率进行授权。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 【延伸阅读】 数字电源管理——PMBus 数字电源排序 数字电源监视和遥测 数字负载点转换器与数字管理器的比较 数字电源调试 数字电源：我为什么必须关注集成呢？ 数字电源：为什么要重视精度？ 数字电源中的模拟技术比想象的要多 数字环路不同于模拟环路 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 SMBus(系统管理总线) SMBus 1.1版于1998年制定完成并发布。1.1节说明了它与I 2 C的关系：系统管理总线(SMBus)是一种两线式接口，与简单的系统和电源管理相关的芯片可通过该接口与系统的其余部分进行通信。SMBus是基于I 2 C的工作原理。 SMBus为系统及电源管理关联的任务提供了一种控制总线。采用SMBus的系统在其自身与器件之间传递消息，而不是触发专用控制线。取消专用控制线可减少引脚数目。接收消息确保了未来的可扩展性。 1.3节阐明了最重要的一点：SMBCLK和SMBDATA引脚类似于I 2 C总线上的时钟和数据引脚。SMBus的电特性不同于I 2 C的电特性。 虽然相似，但并不相同。大致说来，不要过于想当然。应仔细阅读SMBus规范。例如，电平就是不同的。 PMBus增添了一些旨在使其更加坚固的特性，比如： • 数据包错误检查(PEC) • 警告(Alert) • 超时(Timeout) PEC用于保证数据完整性，Alert负责在设备要求维修时中断主机控制器，而Timeout则可避免总线挂接。它们在多设备系统中均非常重要。 SMBus 2.0版于2000年发布，并增加了更多的特性： • 主机通知协议 • 地址解析协议 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 【延伸阅读】 数字电源管理——PMBus 数字电源排序 数字电源监视和遥测 数字负载点转换器与数字管理器的比较 数字电源调试 数字电源：我为什么必须关注集成呢？ 数字电源：为什么要重视精度？ 数字电源中的模拟技术比想象的要多 数字环路不同于模拟环路 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 PMBus(电源系统管理协议) PMBus 1.0版于2005年发布，1.2版则于2008年发布，因此这是一个相当新的协议。PMBus与SMBus具有相似性，事实上PMBus采用了部分SMBus规范作为其基础。PMBus的传输层即为具有扩展和例外的SMBus 1.1。 扩展： • 块写入–块读出进程调用 • 主机通知协议 • 群组命令协议 • 扩展命令 • 总线速度：400kHz(采用定时修改) • 电气驱动电平 例外： • 块写入/读出(高达255数据字节) 现在，我们给它添加一种用于设定电压、电流、定时和故障管理的命令语言。最后，在该命令语言之外还有应用协议。而让我们感到疑惑不解的是：工程师们为什么要纠缠于怎样使用PMBus！ 复杂性 SMBus 1.1标准的篇幅达39页。PMBus 1.2则为125页。而且，制造商们除此之外还添加了他们自己的特殊寄存器和功能性(配有100多页的相关规范)。那么，如何应对所有这些复杂性呢？基本上是借助工具和重用。当然，还包括相关的规范，其可通过System Management Interface Forum获得。 使用模型 我将提出两种重要的使用模型，虽然可能还有其他的使用模型，不过此二者是我发现得到大量运用的两种主要模型： 1. 配置(Configure)和部署(Deploy) 2. 监视(Monitor)和运作(Act) 最重要的PMBus命令集之一用于存储和恢复操作存储器和非易失性存储器之间的设定值。当与用于改变操作存储器(行为特性)的命令相组合时，其可支持Configure和Deploy使用模型。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 【延伸阅读】 数字电源管理——PMBus 数字电源排序 数字电源监视和遥测 数字负载点转换器与数字管理器的比较 数字电源调试 数字电源：我为什么必须关注集成呢？ 数字电源：为什么要重视精度？ 数字电源中的模拟技术比想象的要多 数字环路不同于模拟环路 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 配置(Configure)和部署(Deploy) 大多数PMBus产品制造商都拥有一种GUI工具，该工具可通过PMBus和一个接口转换板与其产品进行通信。在多数场合中，接口转换板通过USB连接至一部主PC。基本使用模式是在总线上配置PMBus器件的所有寄存器，并将其数值存储于非易失性存储器中。这样，当系统通电或复位时，所有的器件在启动期间将从非易失性存储器来给操作存储器加载。 这种模型的基本优势在于其简单性。工具能够通过数据组织、模板和项目重用来消除PMBus的大部分复杂性。第二项优势是成本较低，因为不需要采用“额外的”器件来管理总线。 此模型的主要劣势是丧失了正常操作期间PMBus的所有功能。在异常情况下(比如：发生了故障)，所有的器件都必须自主地做出反应，但灵活性受到限制，而且缺少协调。在复位时情况同样如此。所有的器件均必须自主启动。 让我们来研究一下由此强加的某些限制条件。假设一种电源架构具有由一个IBC(中间总线控制器)运作的12轨POL(负载点)转换器。POL1存在OC(过流)故障，而且故障响应是关断电源轨。由于总线上没有用于对故障做出反应的任何主机控制器，因此其他的电源轨将继续运作，除非POL1的OC通过负载在另一个电源轨上引起了某种故障。 为了克服这些限制，许多器件都具有附加的IO引脚，这些引脚允许器件在没有PMBus的情况下进行相互通信。传统的方法是在器件之间采用漏极开路信号。通常有3个引脚： • SYNC(同步) • RUN(运行) • GPIO(通用输入输出) SYNC引脚用于在复位时建立一个公共时基。这提供了用于接通/关断事件排序的准确时间相关。RUN引脚可使所有器件利用一个外部逻辑门或器件本身实现同时复位。GPIO通常是一个故障输出和故障输入。这允许源自某个器件的故障传播至其他器件。这些引脚虽然并非PMBus规范的一部分，但为了让Configure和Deploy使用模型作为一个系统来工作，它们却是必不可少的。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 【延伸阅读】 数字电源管理——PMBus 数字电源排序 数字电源监视和遥测 数字负载点转换器与数字管理器的比较 数字电源调试 数字电源：我为什么必须关注集成呢？ 数字电源：为什么要重视精度？ 数字电源中的模拟技术比想象的要多 数字环路不同于模拟环路 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 监视(Monitor)和运作(Act) 最灵活的使用模型需要一个在系统操作期间处于运行状态的PMBus主机。由于能够全面使用完整的命令集，因此系统仅受限于PMBus的速度和您的想象力。 有几种用于构建PMBus主机的子模型。一个微处理器或微控制器、FPGA逻辑器件或一个嵌入在FPGA中的控制器。通常，它是某种类型的控制器，即使是内嵌于一个FPGA中。它只是更容易实现，而且更加灵活。 Alert引脚一般连接至控制器上的一个中断引脚。当存在某种故障时，微处理器(μP)通过以下方式对中断做出反应：获得故障器件的地址、通过PMBus查询相关状况、并采取措施以校正问题或使电源轨断电。 控制器也用于遥测。数据可以用来预测故障、测量功耗或调试罕见的故障。另外，控制器还将在复位时设置所有的电源轨。 该使用模型的终极价值是灵活性。不过，必需为此付出代价：开发时间/成本和更多的硬件。虽然开发成本能够借助可重用框架而略有减低，但硬件成本的额外增加却是无法避免的。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 【延伸阅读】 数字电源管理——PMBus 数字电源排序 数字电源监视和遥测 数字负载点转换器与数字管理器的比较 数字电源调试 数字电源：我为什么必须关注集成呢？ 数字电源：为什么要重视精度？ 数字电源中的模拟技术比想象的要多 数字环路不同于模拟环路 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 混合模型 根据我的经验，有许多工程师都在使用Configure和Deploy模型，少部分的工程师则采用Monitor和Act模型。当采用后者时，很少是以其纯粹的形式来使用。利用工具来处理大部分的配置要常见得多，借助的方法是：确保接口转换板与主机具有兼容性，并且仅将PMBus主机用于遥测、高级故障处理和最终用户通知。 另外，这种工作的划分还可提供针对策略和安全决定的某种控制。电源工程师能够通过一种工具来控制电源轨电压、启动定时和主要的故障响应。而利用针对PMBus主机所发出之容许命令的规则，嵌入式软件设计人员的工作内容被限定为一组有助于调试的安全遥测功能和异常情况记录。 最终决定 做出有关使用模型的决策并不简单。通常，直到您设计了自己的首个数字电源架构之后才会真正了解本应当怎么做。希望通过这文章系列可使这些决策变得更加容易，而且您甚至可以在最终设计之前进行架构的原型设计(假定拥有我所提供的资源)。如果您有话题希望在我今后的文章中看到讨论，请给我们知道，我们将尽全力对其作相关的论述。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 【延伸阅读】 数字电源管理——PMBus 数字电源排序 数字电源监视和遥测 数字负载点转换器与数字管理器的比较 数字电源调试 数字电源：我为什么必须关注集成呢？ 数字电源：为什么要重视精度？ 数字电源中的模拟技术比想象的要多 数字环路不同于模拟环路 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载

很多数字电源产品采用了业界标准PMBus来实现系统结构，以管理并控制多路电源轨结构。但是，很多人并不清楚怎样应用PMBus来解决实际问题。 我打算发表一些有关以实际结构和集成数字电源管理产品为题的相关文章。我会涉及到以下题目：PMBus，使用模型，电源排序，故障处理，工具，嵌入式软件，结构，器件类型，系统调试。 有很多博客和文章都在简要中吹棒数字电源的优点。看过我文章的读者都知道，我非常务实。在这里更是如此。如果我提到软件，那就是代码。如果我提到硬件，那就是原理图。我的文章如果没有达到您的预期，请您提出来。 对于有些基础的人，我从简要介绍PMBus开始，然后是提及工程师们使用的主要应用模型。随后，会越来越深入，直到所介绍的实例足以帮助你们开始自己的设计。 PMBus 大部分人认为PMBus是具有一些额外功能的I 2 C总线，通常并不完全清楚这些额外的功能是什么。实际上，很多设计人员把PMBus当做I 2 C，没有充分发挥其优点。PMBus是SMBus的扩展，而后者是I 2 C的扩展。因此，让我们从I 2 C开始。 I 2 C (Inter-IC) I 2 C不过是具有一对信号的串行总线：CLOCK、DATA。它是双向的，而且是多主机。I 2 C最早出现在1982年，先后有4个调整版本。1992年，正式发布了1.0版。1998年发布2.0版，这一版本非常明确的宣布：I 2 C总线已成为事实上的世界标准，现在已经在1000多种不同的IC上实现，并授权给50多家公司。但是，目前很多应用需要速度更高的总线，电压更低的供电电源。而I 2 C总线规范的更新版满足了这些要求。 后来在2007年，3.0版定义了1Mbit/s时钟速率。2012年，时钟被提高到5Mbit/s。 注释：如果您不熟悉更高比特率的内容，那么，您要小心这一假设。更高的比特率并不意味着低延时。为能够在慢速器件总线上实现更高的比特率，在进入高速传送模式之前，必须要在400Kbit/s的较低比特率进行授权。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 SMBus(系统管理总线) SMBus 1.1版于1998年制定完成并发布。1.1节说明了它与I 2 C的关系：系统管理总线(SMBus)是一种两线式接口，与简单的系统和电源管理相关的芯片可通过该接口与系统的其余部分进行通信。SMBus是基于I 2 C的工作原理。 SMBus为系统及电源管理关联的任务提供了一种控制总线。采用SMBus的系统在其自身与器件之间传递消息，而不是触发专用控制线。取消专用控制线可减少引脚数目。接收消息确保了未来的可扩展性。 1.3节阐明了最重要的一点：SMBCLK和SMBDATA引脚类似于I 2 C总线上的时钟和数据引脚。SMBus的电特性不同于I 2 C的电特性。 虽然相似，但并不相同。大致说来，不要过于想当然。应仔细阅读SMBus规范。例如，电平就是不同的。 PMBus增添了一些旨在使其更加坚固的特性，比如： • 数据包错误检查(PEC) • 警告(Alert) • 超时(Timeout) PEC用于保证数据完整性，Alert负责在设备要求维修时中断主机控制器，而Timeout则可避免总线挂接。它们在多设备系统中均非常重要。 SMBus 2.0版于2000年发布，并增加了更多的特性： • 主机通知协议 • 地址解析协议 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 PMBus(电源系统管理协议) PMBus 1.0版于2005年发布，1.2版则于2008年发布，因此这是一个相当新的协议。PMBus与SMBus具有相似性，事实上PMBus采用了部分SMBus规范作为其基础。PMBus的传输层即为具有扩展和例外的SMBus 1.1。 扩展： • 块写入–块读出进程调用 • 主机通知协议 • 群组命令协议 • 扩展命令 • 总线速度：400kHz(采用定时修改) • 电气驱动电平 例外： • 块写入/读出(高达255数据字节) 现在，我们给它添加一种用于设定电压、电流、定时和故障管理的命令语言。最后，在该命令语言之外还有应用协议。而让我们感到疑惑不解的是：工程师们为什么要纠缠于怎样使用PMBus！ 复杂性 SMBus 1.1标准的篇幅达39页。PMBus 1.2则为125页。而且，制造商们除此之外还添加了他们自己的特殊寄存器和功能性(配有100多页的相关规范)。那么，如何应对所有这些复杂性呢？基本上是借助工具和重用。当然，还包括相关的规范，其可通过System Management Interface Forum获得。 使用模型 我将提出两种重要的使用模型，虽然可能还有其他的使用模型，不过此二者是我发现得到大量运用的两种主要模型： 1. 配置(Configure)和部署(Deploy) 2. 监视(Monitor)和运作(Act) 最重要的PMBus命令集之一用于存储和恢复操作存储器和非易失性存储器之间的设定值。当与用于改变操作存储器(行为特性)的命令相组合时，其可支持Configure和Deploy使用模型。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 配置(Configure)和部署(Deploy) 大多数PMBus产品制造商都拥有一种GUI工具，该工具可通过PMBus和一个接口转换板与其产品进行通信。在多数场合中，接口转换板通过USB连接至一部主PC。基本使用模式是在总线上配置PMBus器件的所有寄存器，并将其数值存储于非易失性存储器中。这样，当系统通电或复位时，所有的器件在启动期间将从非易失性存储器来给操作存储器加载。 这种模型的基本优势在于其简单性。工具能够通过数据组织、模板和项目重用来消除PMBus的大部分复杂性。第二项优势是成本较低，因为不需要采用“额外的”器件来管理总线。 此模型的主要劣势是丧失了正常操作期间PMBus的所有功能。在异常情况下(比如：发生了故障)，所有的器件都必须自主地做出反应，但灵活性受到限制，而且缺少协调。在复位时情况同样如此。所有的器件均必须自主启动。 让我们来研究一下由此强加的某些限制条件。假设一种电源架构具有由一个IBC(中间总线控制器)运作的12轨POL(负载点)转换器。POL1存在OC(过流)故障，而且故障响应是关断电源轨。由于总线上没有用于对故障做出反应的任何主机控制器，因此其他的电源轨将继续运作，除非POL1的OC通过负载在另一个电源轨上引起了某种故障。 为了克服这些限制，许多器件都具有附加的IO引脚，这些引脚允许器件在没有PMBus的情况下进行相互通信。传统的方法是在器件之间采用漏极开路信号。通常有3个引脚： • SYNC(同步) • RUN(运行) • GPIO(通用输入输出) SYNC引脚用于在复位时建立一个公共时基。这提供了用于接通/关断事件排序的准确时间相关。RUN引脚可使所有器件利用一个外部逻辑门或器件本身实现同时复位。GPIO通常是一个故障输出和故障输入。这允许源自某个器件的故障传播至其他器件。这些引脚虽然并非PMBus规范的一部分，但为了让Configure和Deploy使用模型作为一个系统来工作，它们却是必不可少的。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 监视(Monitor)和运作(Act) 最灵活的使用模型需要一个在系统操作期间处于运行状态的PMBus主机。由于能够全面使用完整的命令集，因此系统仅受限于PMBus的速度和您的想象力。 有几种用于构建PMBus主机的子模型。一个微处理器或微控制器、FPGA逻辑器件或一个嵌入在FPGA中的控制器。通常，它是某种类型的控制器，即使是内嵌于一个FPGA中。它只是更容易实现，而且更加灵活。 Alert引脚一般连接至控制器上的一个中断引脚。当存在某种故障时，微处理器(μP)通过以下方式对中断做出反应：获得故障器件的地址、通过PMBus查询相关状况、并采取措施以校正问题或使电源轨断电。 控制器也用于遥测。数据可以用来预测故障、测量功耗或调试罕见的故障。另外，控制器还将在复位时设置所有的电源轨。 该使用模型的终极价值是灵活性。不过，必需为此付出代价：开发时间/成本和更多的硬件。虽然开发成本能够借助可重用框架而略有减低，但硬件成本的额外增加却是无法避免的。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 混合模型 根据我的经验，有许多工程师都在使用Configure和Deploy模型，少部分的工程师则采用Monitor和Act模型。当采用后者时，很少是以其纯粹的形式来使用。利用工具来处理大部分的配置要常见得多，借助的方法是：确保接口转换板与主机具有兼容性，并且仅将PMBus主机用于遥测、高级故障处理和最终用户通知。 另外，这种工作的划分还可提供针对策略和安全决定的某种控制。电源工程师能够通过一种工具来控制电源轨电压、启动定时和主要的故障响应。而利用针对PMBus主机所发出之容许命令的规则，嵌入式软件设计人员的工作内容被限定为一组有助于调试的安全遥测功能和异常情况记录。 最终决定 做出有关使用模型的决策并不简单。通常，直到您设计了自己的首个数字电源架构之后才会真正了解本应当怎么做。希望通过这文章系列可使这些决策变得更加容易，而且您甚至可以在最终设计之前进行架构的原型设计(假定拥有我所提供的资源)。如果您有话题希望在我今后的文章中看到讨论，请给我们知道，我们将尽全力对其作相关的论述。 【 分页导航 】 第1页：I 2 C (Inter-IC) 第2页：SMBus(系统管理总线) 第3页：PMBus(电源系统管理协议) 第4页：使用模型：配置和部署 第5页：使用模型：监视和运作 第6页：混合模型及最终决定 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载

    每 个家庭每个公司每天都在使用的一种总线技术，它应用于手机、计算机、电视机和工业控制诸多领域。这里所说的是串行总线3胞胎：I2C、SMBus、PMBus，三者高度近似，高度兼容。     老大：由飞利浦开发用于集成电路间通信，I2C总线具有标准的规范以及众多外围器件，特点是规范的完整性，结构的独立性和用户使用时的傻瓜化，在软件方面I2C提供了一套完整的总线状态处理软件包，只要掌握应用程序设计方法就可以方便地使用，实现功能单元的软、硬件标准化和模块化设计，为一项常规性系统扩展技术。有很多成功的案例，已经为大家熟知。（见北航何立民书籍）     现在I2C总线已经过了20年专利保护期，仍在广泛应用，你不必向飞利浦交专利费。     二胎：SMBus 看不见的战线 。SMBus（System Management Bus系统管理总线），是Intel于1995年提出的一种与I2C总线相兼容的总线标准，为电脑主板所普遍采用。       电脑里面的监控系统有如人体神经系统，是电脑的灵魂。一个完整的监控系统由传感器、监控芯片、SMBus和监控软件等几个部分组成，其中监控芯片是监控系统的硬件核心，它通常是可编程的ASIC微控制器，监控软件可以经BIOS将控制命令和数据经SMBus发送给监控芯片，对参数进行修正和控制，然后通过这一途径实现电压、温度和风扇转速的显示。我们在电脑屏幕上看到的设备制造商名称和型号等信息，就是通过SMBus总线收集的。SMBus就是一条看不见的总线，虽然我们很少注意到它的存在，但它的身影却始终出现在电脑主板上，在幕后悄悄地起着作用。（摘自avan的博客）     我们可以在主机I2C或SMBus 上开发数字电源监控、硬盘防震等别的用途。我以为英特尔开发SMBus的主要目的是遏制CPU竞争对手，如AMD公司，还有原来不起眼的、现在他所说的真正对手ARM公司。SMBus速度比I2C慢，技术上英特尔站在了飞利浦的肩上。（看vfan的博客）     小三：超生的PMBus（Power Management Bus电源管理总线），由“特别利益组织”发布于2005年，是一种开放标准的数字电源管理协议。可通过定义传输和物理接口以及命令语言来促进与电源转换器或其他设备的通信。该协议是由一群认为由于没有合适的标准而抑制了全数字电源管理解决方案的发展的电源和半导体生产商共同建立的。PMBus速度与也没有超过I2C，技术上PMBus开发者还是站在飞利浦的肩膀上。显然用途是电源领域，看看电源网就知道，这也是一个非常庞大的市场。     值得注意的是英特尔、AMD等都没有加入PMBus组织。PMBus 并不是一个针对AC/DC或DC/DC转换器的标准。其并未规定波型因数、引出线等属性，这些属性由业界的联盟组织POLA和DOSA来制定，也未解决电源之间的通信问题，该问题仍然由半导体和电源生产商负责。（见百度百科）     我们熟知的USB也是串行总线，它的技术进步是USB1.0、USB2.0、USB3.0速度越来越快，兼容性非常好，为什么有上述2种串行总线不同的演变方式？                   

  作者：Timothy Hegarty，德州仪器(TI) 基础电源产品线首席应用工程师   摘要 本文详细介绍了热插拔电路基础，以及要求使用系统保护与管理(SPM) 和印刷电路板(PCB) 基板面极其珍贵的情况下系统设计人员所面临的诸多挑战。以模块化实现利用集成数字热插拔控制器时，我们为您介绍了一种框架，用于检查设计的各项重要参数和热插拔系统保护电路的PCB 布局。另外，文章还列出了相关实验结果报告。   高密度系统的热插拔电路保护 许多分布式电源系统（如 图 1 所示）都集成了总线转换器、负载点(POL) 与线性稳压器，专用于高性能刀片式服务器、ATCA 解决方案和通信基础设施系统 。这些系统越来越多地应用于一些日益小型化的实现中，旨在降低成本。为了保证这些系统拥有最大的可靠性和最长的持续运行时间，热插拔控制器 是首选方法，因为它可以提供最理想的系统保护和电管理，特别是能够达到服务器市场的严格要求。系统保护与管理(SPM) 功能专用卡边缘的可用PCB 基板面已变得相当狭小，这并不让人感到意外。这种情况带来的结果是，设计工作主要集中在了高功率密度、低成本热插拔电路实现上面。       图 1 电信系统分布式电源架构例子   在这类应用中，热插拔控制器的特点是通常包括带电电路板插入（浪涌电流控制）和拔取安全控制、故障监控诊断与保护以及高精确度电气（电压、电流、功率）和环境（温度）参数测量，目的是提供实时的系统模拟或数字域遥测。特别是，如果服务器机架一个线卡出现故障，该故障应隔离在该特定线卡，不会影响系统底板或者其他通过带电底板供电的线卡。热插拔控制器正常情况下会通过接口连接至某个通过MOSFET，其同电源通路串联，从而实现“开/关”功能和电流检测低电阻分流器。   图 2 显示了典型服务器系统中为供电量身定做的线卡接口和热插拔电路原理图，并为后续讨论的模板。讨论过程中，我们将不厌其烦地详细描述热插拔电路底板连接器边缘插件板和下游组件。       图2 典型的热插拔电路布局   一般而言，在一些+12V 和+48V 系统中，热插拔通过器件（图2 中MOSFET Q 1 ）与高端连接配置，并且其栅极连接至接地基准控制器。在–48V 底板系统中，该控制器参考至48V 电压轨，并且根据要求上下浮动。在所有情况下，当检测到故障Q 1 被热插拔控制器迅速关闭时，必要时接地连接可不中断。   热插拔模块提供一种方便的标准化方法，实现一站式热插拔解决方案。这种模块是一种单独、独立的子配件，它们是一些结构相同、超紧凑、独立自主、经过完全验证和测试的组件，完全适合于高容量SMT 制造。同样，它可在多个系统和应用之间灵活地部署使用，从而极大地减轻了系统工程师的设计工作负担。热插拔模块通常以一种中间夹层的方式平行堆叠在系统主板上，利用镀过孔(PTH) 或者表面贴装(SMT) 接头与电源和信号连接形成母子配置结构。另外，需要注意的是，主板通过模块的终端连接提供导电散热。然而，使用双面模块板布局时，主要功耗组件通过MOSFET 和分流电阻器，放置于模块的顶部，以有目的地利用应用环境中的自然或者强制对流。   电路规范 表 1 列出了热插拔电路模块的相关规范。     规范 符号 值 输入电压范围 V IN 10.8V–13.2V 输出电流范围 V BR 0A–10A 电流限制 I CL 12.5A±8% 断路器电平 I CB 22.5A 故障超时 T FAULT 1 ms 最大环境温度 T A(MAX) 55°C 气流速度 Q 100 LFM (0.5 ms -1 ) 可用PCB面积（不包括PMBus连接器） A PCB 15 mm x 18 mm 数字遥测PMBus TM 地址 Addr 0x16   表1 热插拔电路设计规范   在这种高功率密度热插拔电路设计中，下列局限性尤为明显： ·         成本：电气（MOSFET、控制器、分流电阻器）和机械（连接器、PCB）组件 ·         PCB 面积：严重受限 ·         组件规范：体积受限（尺寸和外形） ·         热规范和散热属性：基本散热   电路原理图和组件选择 图2 描述了建议热插拔电路的原理图。可以方便地将任何负载相关大容量存储电容器，靠近负载放置于主板上，无需放置在热插拔模块上。     图3 数字热插拔电路原理图   表 2 详细列出了最基本的电路组件的封装尺寸和厂商建议焊垫几何尺寸。     电路组件 厂商部件编号 体积尺寸 (mm) 建议焊垫几何尺寸 (mm) 通过MOSFET TI CSD17309Q3 3.3 x 3.3 x 1.0 3.5 x 2.45 分流器 Vishay WSL12062L000FEA18 3.2 x 1.6 x 0.64 3.5 x 2.45 热插拔控制器 TI  LM25066A 4.0 x 5.0 x 1.0 4.2 x 5.4 TVS Vishay SMPC15A 6.5 x 4.6 x 1.1 6.8 x 4.8   表2 热插拔电路组件封装尺寸和建议焊垫几何尺寸   MOSFET, Q 1   在我们的例子中，我们使用了TI NexFET? CSD17309Q3 ，它是一种25°C 下4.9 mW开态电阻的30V 60A SON 器件。如果 图4a 的开态电阻温度系数约为0.3%/°C，则55°C 工作结温下满负载传导损耗为0.6W。栅极到源极齐纳二极管将MOSFET V GS 维持在额定电平（正负极）。2°C/W 的稳态结壳热阻抗R thJ-C 表明，壳结温升约为1.2°C。最大额定MOSFET 结温为150°C。故障状态期间1 ms 一次性脉冲时长条件下， 图4b 和4c 的曲线图分别表示50A、12V 时的安全工作区(SOA) 大小，以及0.001 的标准化结到环境瞬态热阻抗Z thJ-A 。       图4 CSD17309Q3 MOSFET: a) Rdson 随温度变化情况；b) SOA; c)瞬态热阻抗   分流电阻器R S 使用一个2 m? 分流电阻器以后，LM25066 可提供12.5A 的主动电流限制（25 mV典型电流限制阈值电压），并且精确度为±8%。因此，电流限制设置为额定满负载电流的125%。快速作用断路器功能设置为22.5A （45 Mv 典型断路阈值电压）。   Vishay WSL1206-18 系列分流电阻器拥有1% 容限和275 ppm 电阻温度系数。全部0.5W 额定功率可用于70°C 额定温度，但后续线性降低至170°C。10A 时的分流器功耗为0.2W。 热插拔控制器U 1 LM25066 有一个I 2 C/SMBus 接口（使用SCL、SDA/SMBA 和地址引脚连接）和一个PMBus 兼容型指令结构，以帮助执行动态系统配置和遥测。利用三个地址引脚，设置PMBus 地址。分别使用1% 和2% 精确度测量电压、电流和功率遥测。一个二极管连接的晶体管温度传感器，帮助轻松、精确地进行MOSFET 温度测量。   TVS, Z 1   电流中断期间的电流转换速率达到100A/μs 甚至更大，因此输入功率通路中的电源轨总线结构不可避免地存在寄生电感。存储于该电感中的能量传输至电路中其他组件，以产生过电压动态行为。这种电感式电压过冲，会损害热插拔MOSFET、热插拔控制器和下游电路的可靠性，除非对其进行正确的控制。按照 图3 所示，使用一个快速响应的单向TVS 二极管，连接V IN 和GND。它主要充当需要中断的差模电流的分流通路。   制约TVS 的一些因素包括电气性能、组件体积和成本。一般而言，TVS 平衡电压V R 等于或者大于DC 或者连续峰值工作电压电平。断路事件期间承受峰值脉冲电流的TVS 钳位电压V C(MAX) ，应低于MOSFET 和控制器的绝对最大额定电压。另外，更高额定功率的TVS 拥有更大的电压开销，因为它的动态阻抗更低。因此，如果要求有更尖利的曲线图拐点，则相比只根据峰值功率规范选择的一般强制规定，选择更大的TVS 要更加有利一些。   输入电压范围为12V±10% 时，选择15V Vishay Esmp 系列TVS。该器件有一个阳极和两个阴极连接。1.1 mm 的小体积，让它能够安装在PCB 的底部。   输入电容器C IN 因其可以降低输入阻抗并提供去耦功能，本地输入旁路电容有一定的作用，但在热插拔期间插入插件卡时对C IN 充电的脉冲电流一般会损害电容器的可靠性，因此这种电容并不怎么实用。当电容器位于热插拔电路前面时，许多OEM 厂商将其看作为一个系统级可靠性问题，因此一般不会安装这种电容器。   PCB 布局 图 5 显示了一种紧凑、高密度的电路PCB 布局。 图 6 显示了该模块的照片。热插拔解决方案共占用300 mm 2 的PCB 面积。TVS 和可选无源组件均位于PCB 的底部。栅极线路和分流检测线路均短路，并且未使用输入去耦电容器。使用表面贴装端接，将电源和信号连接至主板。       图 5 热插拔电路 PCB 布局   基本组件位于顶部，内部各层主要构成并行接地层，用于散热和降低传导损耗。TVS 和各种可选组件位于底部。散热过孔位于MOSFET 漏极板和TVS 阴极上，连接至内部各层。请记住，表面贴装组件焊接的PCB 作为散热的主要方法。同样，产生热的一些组件，可以利用 PC B层内已经有的一些铜质多边形材料、层和热过孔来提高其热特性。使用边缘端接将模块化电路板连接至主板，还可以帮助散热。如果重复脉冲钳制期间出现通过MOSFET稳态功耗和/或TVS 功耗，则板级散热设计变得尤为重要。这种热插拔控制器设计，通过在出现故障时锁住电路或者在检测到故障以后后续“重试”开始时提供足够长的暂停时间，使这一问题得到缓解。       图 6 热插拔模块照片 实验结果 根据这种热插拔控制器 实用实现，人们想出了各种实验测量方法，以对电路性能进行评估：热插拔带电插入、电流限制和短路保护。 图7a、7b 和7c 分别描述了相关电路波形。   就这方面来说，它允许在检测到故障以前形成最高可能电流，在 图2 所示电路输出直接声明的低阻抗短路特别令人讨厌。根据之前的一些考虑，同输入通路串联的寄生电感耦合高电流转换速率，可能会在向通过MOSFET 发送一条关闭指令以后在热插拔控制器V IN 和SENSE 引脚上引起破坏性瞬态出现。 图7c 突出显示部分，使用这种模块时断路事件期间的电流与电压波形，被看作是良性的。     图 7 热插拔电路振荡波形： a) 启动前插入延迟热插拔带电插入； b ）锁闭电流限制响应； c ）输出短路引起的热插拔断路事件   输入电流达到23A（46mV分流电压）时，如 图7c 所示，通过MOSFET 关闭（见绿色输入电流线）。这时的输入电压有一个初始尖峰（原因是存在一些未钳制寄生线路电感），但在约18V 时迅速被TVS 钳位。   参考文献   服务器、基站、ATCA 解决方案原理图与设计考虑因互   PMBus的LM25066系统电源管理与保护IC   NexFET功率MOSFET技术   《热插拔电路的TVS钳制》，作者：Hagerty, Timothy，TI，刊发于2011 年10月《电源电子技术》   作者简介 Timothy Hegarty 现任TI 电源产品部首席应用工程师。Tim 毕业于爱尔兰考克大学(University College Cork, Ireland) 电子工程学士学位和硕士学位。在加盟TI以前，他曾效力于国家半导体和Artesyn Technologies。他的研究领域为集成PWM 开关式稳压器与控制器、LDO、基准、热插拔控制器、可再生能源系统和系统级模拟。他是IEEE 会员。