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电源系统通信支持数字电源发展 |
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作者：德州仪器 Dave Freeman |
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简介
电源子系统目前正在越来越多地集成到整个系统中。电源系统已经从单独的"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。这些系统可控制的电源子系统可以实现诸多优势，如节电、排序及裕度调整等。然而，系统设计人员与电源设计人员必须创建他们自己的用户方案，因为尚无任何行业标准作为指导。随着最近对数控电源解决方案的重视，拥有面向电源子系统的标准化系统通信解决方案变得更加重要。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。本文讨论了使用 PMBus 时的设计要求。还将举例讨论标准的电源子系统通信解决方案，从而使我们轻松了解 PMBus 的优势。
电源解决方案的通信
SMBus 是第一批电源子系统通信行业标准中的一个。组织将该总线定义为智能电池系统 (Smart Battery System，SBS) ，即"存取总线 (Access bus) 的扩展。"存取总线基于具有地址限制的 I2C 总线之上。SMBus 解决方案定义了多主机协议，以满足电池管理要求。多主机要求是因为系统主机及电池会在不同时间进入主机状态。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 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。
PMBus 特殊利益集团 (SIG) 已经选择将 SMBus 1.1 作为通信协议使用。作为决策的一部分，PMBus SIG 加入了 SBS 组织。除了公共总线之外，电源与电池管理之间还有许多共同利益。PMBus 确实通过采用单个主机简化了协议。表 1、有关电源使用的通用协议考虑事项
| PMBus 1.0 | SMBus 1.1 | IPMI 1.5 | | 通信类型 | 来源于 I2C，SMBus 1.1 单个主机 | 来源于 I2C，10KHz 到 100KHz 时钟 | 来源于 I2C，只支持 I2C 主机写入操作 | | 错误检测 | 可选 PEC | 可选 PEC | 校验和 | | 当前规范版本 | V 1.0 | V 2.0 | V 2.0 | | 告警方式 | SMBAlert | SMBAlert，主机通知协议 (Host Notification Protocol) | 到事件接收器的事件通知 | | 用于两字节传输与错误检测的总线流量 | 6 字节 | 6 字节 | 7 字节请求9 字节响应总共 16 字节 |
主机设备可能有多个，但是我们将 PMBus 电源设备定义为"从属"。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。SMBus Alert 通常不用于电池组 (battery pack) 应用程序中。电池应用程序已经关闭了多主机方法和用于主机通知的电池广播。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。这个 Control 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。
另一个 PMBus 问题是到设备组的通信（但不是同时到所有设备）。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，因为它是用于 SMBus 或 IPMI 的同一条线路。即使 IPMI 只使用主机写入 (Master Write) 模式，从设备也必须知道该数据，因此这就要求数据是双向的。
其他接口线路也可能是双向的。用于所有三条总线的时钟线路可能需要是双向的。如果需要从设备进行时钟伸展，则时钟线路是双向的。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，它不是双向总线。
同步降压型 PMBus 示例
图 2 显示了降压转换器的一个简化示例，其使用了 PMBus 通信。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。uC 或 DSP 可监控各种模拟输入，其中包括 Vin、Vout、平均电流及稳定。目前的测量方法是使用电感器的 ESR 以及电热调节器的数字控制器提供的信息来补偿温度。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操作限制。可将 PMBus Control 连接到输入数字控制器中的中断输入。这样，通过对数字控制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。
数字控制器如该图所示，拥有适当的 PWM 分辨率来实现稳压，2 ns 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。
结论
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。(end)
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(7/19/2005) |
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