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PMBus:神经系统给数字电源带来了活力

2017-09-05
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作者:European Editors,Digi-Key 的欧洲编辑


数字电源转换极大地降低了产品设计人员的设计风险,并增加了设计灵活性。 图 1 显示了数字电源转换器的基本功能块,有了这些功能块就可以通过编辑参数来调节如输入、输出电压和电流限值之类关键设置,从而避免了因修改参数而必须重新焊接模拟替代元器件的需要。

图 1:数字电源转换器的参数是通过写入寄存器来确定的。


作为与转换器寄存器进行交互的方式,PMBus 规范提供了一个便利的平台。 PMBus 从流行的系统管理总线 (SMBus) 规范发展而来,因此依赖包含控制、数据和时钟信号的 I2C 总线物理连接。 当然,相比 SMBus 和 I2C,PMBus 具有大量增强功能,如超时功能带来的额外强大性能,以及错误检查和故障处理功能,以降低噪声灵敏度。


PMBus 是数字电源时代的自然产物,适合与所有类型的数字转换器通信,包括像中间总线转换器 (IBC) 和非隔离式负载点转换器这样的 AC/DC 前端电源、隔离式 DC/DC 稳压器。 诸如 Murata D1U54P-W-650-12-HBxC 系列 AC/DC 前端转换器或 CUI NDM2Z-25 负载点 (POL) 转换器之类器件,带有集成 PMBus 端口,允许设备直接连接到总线,从而实现与主机控制器的信息交换。 这可以是外部系统,如自动测试设备 (ATE) 或提供一个 GUI 来配置和监控电源元件的 PC 软件,或者是能实时管理电源的嵌入式控制器。


另一方面,还有大量符合 PMBus 规范的电源管理 IC (PMIC),如 Maxim MAX34451,它们能连接到 PMBus,并能监控多个转换器。 图 2 所示 MAX34451 能支持 16 个通道的电压或电流监控、12 个通道的定序和裕量管理,以及多至 5 个温度传感器。 电流监控可以通过如 Allegro Microsystems ACS723 隔离式电流检测 IC 之类设备来实现。

图 2:PMBus 兼容 PMIC 可以监视和控制 POL 转换器阵列。


PMBus 规范旨在最大限度地提高用户的灵活性。 为此,符合规范的设备必须能够在没有 PMBus 控制器的情况下独立启动,并能够自动加载默认设置;设备可以通过 PMBus 配置一次,然后在整个设备生命周期一直运行下去,或由系统软件实时管理。 若需要,远程更新也可在现场进行,以帮助降低设备拥有成本。


该规范定义了大量指令,以便让主机与连接的设备交互。 但是,这些设备不一定要支持所有指令才会被认可为 PMBus 兼容。 当选择设备时,检查支持的指令集很重要。 另一方面,规范允许厂商创建特定指令,例如控制给定设备的特有或差异化的功能。 值得注意的还有主机通知功能,它允许连接的设备警告控制器需要注意的问题。虽然许多设备都支持该功能,但对于 PMBus 设备,该功能是可选的。


PMBus 配置和测试指令

电源设计平台,如 Texas Instruments 的 WEBENCH 或 Linear Technology LTpowerPlay™,在开发和生产期间为工程人员提供一种便利的与数字电源交互的方式,以执行设置和基本测试。 某些最基本的指令用于打开和关闭设备,以及执行裕量测试。


裕量测试指令 VOUT_MARGIN_HIGH 和 VOUT_MARGIN_LOW 提供了一种快速简单的方式,来验证系统是否能在整个制造公差范围内可靠运行。 OPERATION 指令指示转换器启动、停止或将输出电压更改到要求的裕量电压。


ON_OFF_CONFIG 指令确定转换器启动或关闭的条件。 它可配置成在供电后立即启动、或者等待另外的信号。 类似地,转换器可能需要立即关闭,或者经过延迟后再关闭。 TON_DELAY、TON_RISE、TOFF_DELAY 和 TOFF_FALL 等指令控制对启用/禁用信号的响应时间长度以及输出的上升或下降速率。 这可用来管理多电源轨系统中的转换器定序。 此外,还有大量更改和校准输出电压的指令,包括 VOUT_COMMAND、VOUT_TRIM 和 VOUT_CAL_OFFSET。


设计人员还可以利用一些指令来帮助在板载非易失性存储器上存储参数和防止转换器应用不当设置。 这些指令包括 STORE_DEFAULT_ALL、RESTORE_DEFAULT_ALL、STORE_DEFAULT_CODE、RESTORE_DEFAULT_CODE、WRITE_PROTECT 和 PHASE。 PHASE 可用于确保多电压轨或多相系统中的转换器对正确的指令作出响应。


转换器配置的另一个重要方面是确定检测到故障时的响应。 根据系统或应用的类型或者存在问题的电压轨,处理过流或欠压等故障的适合方式可能是等待一段时间再关闭,或者关闭并尝试重启特定次数,或者立即关闭且不再采取任何措施。 诸如 IOUT_OC_FAULT_LIMIT、IOUT_OC_FAULT_RESPONSE、VIN_UV_FAULT_LIMIT、VIN_UV_FAULT_RESPONSE、OT_FAULT_LIMIT 和 OT_FAULT_RESPONSE 之类指令可让用户灵活地选择故障管理选项。 若选中的配置需要用户交互才能重启转换器,则 CLEAR_FAULTS 指令提供重置故障状态寄存器位的方式,以便可以开始重启。


系统诊断支持

数字电源和 PMBus 通信的组合简化了系统设计人员和厂商的工作,具有诸多优势,如更短的设计周期、更轻松地执行严格的测试例程,以及允许在生产线上对各装置针对特定应用或市场进行自定义,从而实现灵活的产品管理。


PMBus 还提供许多方式来帮助管理和维护现场部署的系统。 这些指令提供了监控转换器状态和收集遥测数据的方式,收集的数据可用于监控系统健康、支持预测性维护。 遥测指令包括 READ_VIN、READ_VOUT、READ_IIN、READ_IOUT、READ_TEMPERATURE、READ_DUTY_CYCLE、READ_PIN 和 READ_POUT。


对于状态报告,STATUS_BYTE 指令可检查八个最关键的电源转换器故障的状态标记。 STATUS_WORD 是一个 16 位的状态字,不仅含有八个 STATUS_BYTE 标记,还有另外八个状态标记,包括其他故障或警告、以及一个电源不良标记。 这两个指令允许系统快速有效地检查转换器状态。 STATUS_BYTE 尤其有效,即使当总线上出现大量其它流量时,也可对重要指标进行检查。 若发现其中一个状态标记指示故障,系统可以查询相关寄存器的完整内容,以获取更多信息。 图 3 详细说明了状态字节和状态字的内容及其相关寄存器。

图 3:状态字节和状态字以及关联的条件寄存器。


性能和效率的动态优化

可以说,对于当今追求利用数字电源的设计人员而言,最令人兴奋的机会之一就是能使用 PMBus 通信功能提高系统性能和效率。 数字控制的灵活性,结合厂商特定 PMBus 指令的其它功能,现在允许在运行过程中应用优化的反馈回路参数,或者甚至在负载电容已知后计算系统中的这些参数。 这与固定参数的传统电源模块形成对比,后者只能针对较小范围的负载电容较好地工作。 超出此范围的负载会导致性能下降,或者转换器反馈回路变得不稳定。


此外,最佳能效电压调节可通过 PMBus 指令有效解决。 最新版 PMBus 1.3 规范引入了对电压调节支持的重要扩展。 在负载点转换器为微处理器或 FPGA 供电的情况下,动态电压调节 (DVS) 就是一项成熟的技术,允许负载设备对核心逻辑发出较低供电电压的指令,从而在需求降低时节省电能。 DVS 是一项开环技术,处理器可以通过它按需更改操作频率,并可参考查询表,从转换器请求适当的供电电压。


最新的 PMBus 规范允许设计人员利用自适应电压调节 (AVS)实现更精确的工作电压优化。 因为 AVS 用实时反馈来连续更新请求的电压,任何过程相关的影响因素和依赖温度的变化也纳入了考虑范围。 这有助于进一步减少工作电压裕量和整体能耗。 相比固定电压方案,AVS 可以降低高达 40% 的能耗。


PMBus 1.3 中引入的 AVSBus 支持规定了转换器和由 AVS_Clock、AVS_MData 及 AVS_SData 信号组成的负载之间的三线点到点连接。 这是不同于 PMBus 的额外链接,它在高得多的 50 MHz 频率下工作(PMBus 1.2 及以上版在 1 MHz 下工作),因此允许电压在 640 ns 内更新,以响应不断变化的负载需求。


结论

PMBus 正日趋广泛地用于辅助设计和生产,并且该规范还在继续发展,以获取更多改进并加入其它特性。 该规范提供了多种基于 PC 的设计和配置工具,便于使用 PMBus 指令与数字电源转换器进行交互。 各种各样的指令为应用软件提供了与电源模块广泛交互的机会,从而实现实时功率输出监控和调节,并因此而优化系统的能效和可靠性。 PMBus 规范所包含的新特性,例如允许支持自适应电压调节的 AVSBus,使 PMBus 能够在其整个工作寿命中帮助优化和维护设备,并发挥越来越重要的作用。


文章来源:Digi-Key


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