电源系统通信支持数字电源发展

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法，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法的重视，拥有面向电源子系统的标准化系统通信解决方法变得更加重要。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法，从而使我们轻松了解pMBus的优势。

电源解决方法的通信

SMBus是第一批电源子系统通信行业标准中的一个。组织将该总线含义为智能电池系统(SmartBatterySystem，SBS)，即存取总线(Accessbus)的扩展。存取总线基于具有地址限制的I2C总线之上。SMBus解决方法含义了多主机协议，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。该含义还包括总线礼节(busetiquette)，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，还供应了数据包纠错(packetErrorChecking)。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相同，IpMI也是基于I2C的，但是只支持主机模式写入(MasterModeWrite)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SMBus1.1作为通信协议使用。作为决策的一部分，pMBusSIG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pMBus1.0SMBus1.1IpMI1.5通信类型来源于I2C，SMBus1.1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V1.0V2.0V2.0告警方式SMBAlertSMBAlert，主机通知协议(HostNotificationprotocol)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电源设备含义为从属。pMBus利用SMBus告警线路向主机发送信号，通知电源设备要注意。SMBusAlert通常不用于电池组(batterypack)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。pMBusSIG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pMBusControl。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要一个专用的连接，将主机连接至各个从设备或连接至要这一控制级别的从设备组。尽管这肯定会新增至电源管理的信号走线，但是在要快速关断的系统中可能会要此接口。

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，假如系统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pMBusControl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(MasterWrite)模式，从设备也必须了解该数据，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要是双向的。假如要从设备进行时钟伸展，则时钟线路是双向的。当从设备要更多时间来接收数据位时，或在其他情况中，要时间以确定是否应了解命令时，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pMBusControl线路都不是双向的。从设备控制SMB告警线路，不要了解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。pMBusControl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不起用途(gooff-board)的情况。大多数情况下，不要可选电路。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供应的信息来补偿温度。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pMBusControl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(biasregulator)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，2ns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都能供应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要某种程度的修改。此外，类似于电池管理，电源必须自身供应全时保护。我们含义了

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要，而且还供应了与电源解决方法进行通信的系统，而不会引发大量的开销。pMBus将会显著加速数字电源的普及。