原创 电源系统通信推动数字电源发展

作者：德州仪器，《EDN》 David Freeman

电源总线标准实现数控电源管理。

电源子系统目前正在越来越多地集成到整个系统中。电源子系统已经从单独的"必不可少的危险装置"转变成可监控的子系统。当今的系统已经开始将电源子系统视为可控制的外设来对待。这些系统控制的电源子系统带来了诸多优势，如：节电、排序及裕度调整。随着最近对数字电源管理功能的重视，系统与电源子系统之间通信的标准化也更加重要。新的 PMBus（电源管理总线）通信协议已经开发成功，用于系统与电源子系统之间的主板和支架 (board-and-shelf) 通信。

电源通信

SMBus （系统管理总线）是第一批电源子系统通信行业标准中的一个，该标准最初基于 Intel 的 I2C 系统管理总线，但是现在受新创建的 SM-IF（系统管理接口论坛）管理。SMBus 定义了多主机协议，以满足在不同时间采集主控设备状态的系统主机和电池产生的电池管理需求。目标是拥有这样的系统：能够由系统控制智能电池的电极 (pole)，但是仍然允许电池"请求"帮助和配置充电器。该定义还包括"总线礼节 (bus etiquette)"，如总线 hog 限制及其他超时情况 (time-out)。该协议还解决了许多用户问题，如用户在没有系统通知的情况下进行的自发的电池断路。为了强化协议，还提供了数据包纠错 (Packet Error Checking)。该选项在每个通信数据包末尾包含一个单字节代码 PEC。PEC 是一个 8 位 CRC（循环冗余校验）。目标是拥有这样的系统：能够由系统控制智能电池的电极 (pole)，但是仍然允许电池"请求"帮助和配置充电器。该定义还包括"总线礼节 (bus etiquette)"，如总线 hog 限制及其他超时情况 (time-out)。该协议还解决了许多用户问题，如用户在没有系统通知的情况下进行的自发的电池断路。为了强化协议，还提供了数据包纠错 (Packet Error Checking)。该选项在每个通信数据包末尾包含一个单字节代码 PEC。PEC 是一个 8 位 CRC（循环冗余校验）。

本地电源通信当前使用的另一个标准是智能平台管理接口 (IPMI)。虽然不是为电源通信而专门设计，但在和电源管理相关的许多方面 IPMI 都有用到。与 PMBus 与 SMbus 一样，IPMI 也是基于 I2C 的，但是只支持主机模式写入 (Master Mode Write) 而非重启来更改数据总线方向。IPMI 还比 SMBus 进行更多的会话。设备需要请求信息或发送响应。通信数据包的第一部分是连接报头。该部分包括设备地址。该设备将接收数据包与信息，以识别数据包的功能。数据包的第二部分首先是发送数据包的设备地址，然后是命令和数据。每个段的最后部分是校验和，以帮助检测通信问题。

现隶属于 SM-IF 的 PMBus SIG（特殊利益集团）已采用 SMBus 1.1 作为通信协议使用。电源和电池管理之间除了通用总线之外还具有许多共同利益。PMBus 确实通过为典型工作采用单个主机简化了协议。尽管它允许主机通知，但是典型应用中的 PMBus 电源设备在大部分应用中属于典型的 PMBus"从设备"。PMBus 利用 SMBus 告警线路向主机发送信号，通知电源设备需要注意。电池组应用一般不采用 SMBus 报警功能，而是依靠多主机方法及电池广播功能实现主机通知。当 PMBus 设备宣布 PMBus 告警线路之后，该设备将确认 PMBus 告警响应地址 (ARA)。当找到 ARA 之后，告警从属设备将把其地址以接收字节顺序放置在数据字段中。PMBus SIG 已经选择 ARA 方法来降低与主机通知相关的复杂性及相应成本。

PMBus 规范还包括用于每个从设备的可选控制信号 PMBus Control。此信号可启用或禁用电源转换器的输出。使

用此控制信号的系统需要一个专用的连接，将主机连接至各个从设备或连接至需要这一控制级别的从设备组。尽管这肯定会增加至电源管理的信号走线，但是在需要快速关断的系统中可能会需要此接口。

如果 PMBus 必须一次与一组设备而不是全部设备通信，还会产生另一个问题。例如，如果系统需要同时启动三个电源转换器，则所有三个转换器都必须接收到同一个命令，以便支持它们各自的输出。在一个通信包内使用重复的启动可以执行此功能。每个设备被逐个单独寻址，但是设备间的通信不会发送停止位。当配置完所有设备之后，再发送停止位，以便"触发"该操作。另一种方法是使用 PMBus Control 行，以便一次性启用所有电源上的输出。

隔离通信

在某些电源应用中，通信线路必须跨越隔离边界。图1显示了适用于双向通信线路的光隔离电路。这种方法可用于 PMBus 数据或时钟线路。PMBus 数据线路是双向的，因为从设备在必须知道该数据。




其他接口线路也可以是双向的。用于所有三条总线的时钟线路可能需要是双向的，例如，如果系统需要从设备进行时钟伸展（clock stretching），则三条总线的时钟线路就需要采用双向线路。当从设备需要更多时间来接收数据位时，或在其他情况中，需要时间以确定是否应知道命令时，会出现时钟伸展。在跨越隔离边界的多主机设计中，时钟线路始终是双向的。

SMBAlert 线路和 PMBus Control 线路都不是双向的。从设备控制 SMB 告警线路，不需要知道其他设备是否正在向某些设备发出警报。当主机设备已经知晓告警状态，告警的从设备将使 SMB 告警线路进入工作状态。PMBus Control 线路将主机设备连接到一个或多个从设备上。

同步降压型 PMBus 示例

除了处理系统级电源管理通信之外，PMBus 还可以管理电源子系统自身内部的电源控制。图2说明了一个采用PMBus 通信的简化的降压转换器。示例中出现的可选的总线保护电路适用于 PMBus 不起作用 (go off-board) 的情况。大多数情况下，不需要可选电路。微控制器 或 DSP 可监控各种模拟输入，其中包括 Vin、Vout、平均电流及温度。目前的电流测量方法是采用电感器的ESR（等效串联电阻）提供的信息以及由采用热敏电阻的数字控制器测量与提供的温度信息--热敏电阻用于弥补温度引起的阻抗变化。在测量电流强度与温度的过程中，数字控制器可以在允许的范围内操作电源转换器。使用 PMB 告警线路，控制器可通知系统状态是否接近工作极限。PMBus控制线连接到数字控制器中的中断输入。这样，设计人员可以对数字控制功能进行编程，来提高其采取适当措施的速度。在任何情况下，电源都必须是可靠的，能够保护自己。新一代的数字电源设备 UCD7K 已经集成了以全时模式保护功率级的安全电路。此外，这些专用驱动器还集成了许多特殊的功能，如偏置调节器 (bias regulator) 及运算放大器等，以便为数字控制器供电，并帮助进行信号调节。




图中的数字控制器具有适当的PWM分辨率来进行稳压，0.1％ 或更高水平。当这种能力与 PMBus 命令集相结合时，系统就会适应实时响应。面向电源控制的数字控制器新家族成员 UCD9K 现已推出。这些数字控制器拥有非常高的 PWM 分辨率，不需要以非常高的频率运行系统时钟。此外，它们还拥有 PMBus 支持。数字方式的闭环优势是，数字控制可以选择预先配置的适合当前工作要求的环路补偿方程。这些环路补偿方程可以在制造期间配置，或者可以实时调节。无论采用哪一种方法，PMBus 都能提供可完成这项任务的通信方法。

应使用适当的通信总线进行电源控制与配置，以便满足特定需要。尽管有一些标准能够满足少量电源通信要求，但是电源独一无二的要求需要某种程度的修改。此外，类似于电池管理，电源必须自身提供全时保护。我们定义了 PMBus，以满足电源通信的要求。它不仅满足了在制造过程中进行配置和通信的需要，而且还提供了与电源解决方案进行通信的系统，而不会引发大量的开销。PMBus 将会显著加速数字电源的普及。