PMBus——數(shù)字電源開放標準協(xié)議
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近年來,許多相關的因素導致對數(shù)字電源管理的需求急劇上升。許多板卡設計人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向開發(fā)中間總線電源結構,通過使用多個單板DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同硅器件所需要的多樣化的電源要求。這導致一個很明顯的結果就是在產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)測試及日常使用的過程中,配置、控制及監(jiān)控這些電源將變得更加的復雜。光是控制上電/下電時序就需要專門的可編程集成電路及大量的額外部件,更別說用于靈活的系統(tǒng)級控制和診斷所需要的配置或?qū)崟r反饋設施。
目前許多高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器仍是通過簡單的無源元件產(chǎn)生的模擬信號來進行設置和控制。即使具有最先進電源轉(zhuǎn)換拓撲結構的高性能轉(zhuǎn)換器,也有可能需要使用外部調(diào)節(jié)電阻和電容來確定諸如啟動時間、輸出點值及開關頻率等參數(shù)。當然,這些參數(shù)沒有一個是可以在匆忙中更改的,因此自適應的電源管理方案也就不可能實現(xiàn),更別說推測性的電源管理方案。
除了一些專門用于微處理器(其以VID代碼的形式為輸出電壓控制提供有限的數(shù)字編程性)的轉(zhuǎn)換器之外,市場上大多數(shù)磚形轉(zhuǎn)換器、中間總線轉(zhuǎn)換器及負載點(Point of load)POL轉(zhuǎn)換器仍然是采用模擬控制的。對數(shù)字控制需求最為迫切的是非隔離負載點轉(zhuǎn)換器,因為這些轉(zhuǎn)換器廣泛用于板卡上并為器件提供最終電壓。然而,這個需求也適合于隔離轉(zhuǎn)換器,因此,毫無疑問,設計者們希望能夠很快得到其他的數(shù)字可編程電源。
圖1:Artesyn Technologies的PMBus的展示套裝,包括一個具有8個可編程負載點
轉(zhuǎn)換器的USB驅(qū)動的單板及一個電腦圖形用戶界面
造成這種現(xiàn)象的原因很簡單:直到現(xiàn)在,業(yè)界對于數(shù)字電源管理還沒有達成共識。許多電源生產(chǎn)商已經(jīng)推出了數(shù)字可編程負載點轉(zhuǎn)換器,向解決這個問題的方向邁進了,但是轉(zhuǎn)換器是基于自主開發(fā)的結構和半導體器件,因此開發(fā)成本會比較高,這就需要從其他方面進行補償,將顧客鎖定在狹窄的供應鏈及限制性的許可協(xié)議中。而且,由于硬件和軟件都是用于單一目的,因此這項技術就不可能被其他單板器件的生產(chǎn)商所使用。
什么是PMBus
PMBus是一種開放標準的數(shù)字電源管理協(xié)議??赏ㄟ^定義傳輸和物理接口以及命令語言來促進與電源轉(zhuǎn)換器或其他設備的通信。該協(xié)議是由一群認為由于沒有合適的標準而抑制了全數(shù)字電源管理解決方案的發(fā)展的電源和半導體生產(chǎn)商共同建立的。目前,這個協(xié)議正在迅速地獲得業(yè)界的認可。今年3月,該協(xié)議的修正版1.0公之于眾,而其所有權也交由獨立的特別利益組織(SIG,即系統(tǒng)管理接口論壇),負責該標準的進一步發(fā)展和推廣。
值得注意的是PMBus 并不是一個針對AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換器的標準。其并未規(guī)定波型因數(shù)、引出線等屬性(這些屬性由業(yè)界的聯(lián)盟組織POLA和DOSA來制定),也未解決電源之間的通信問題(該問題仍然由半導體和電源生產(chǎn)商負責)。
低成本實時控制
PMBus傳輸層是基于低成本SMBus (系統(tǒng)管理總線)的1.1版本,這是個功能更為強健的業(yè)界標準I2C串行總線的版本,具有分組錯誤檢查和主機通知功能。I2C總線原來是由飛利浦電子公司開發(fā)用于集成電路間通信的,而SMBus則被因特爾公司用于PC及服務器的通信系統(tǒng)管理。SMBus廣泛應用于基于 Intel技術的服務器上,為系統(tǒng)管理提供智能的外圍管理接口(IPMI)的物理層和傳輸層。
SMBus具有一個第三信號線 SMBALERT,可以使從屬設備(如負載點轉(zhuǎn)換器)中斷系統(tǒng)主機或總線的控制,這種安排要比系統(tǒng)使用主機來不斷輪詢從機的方式更為靈活,而且其對主機處理器造成的負擔也更小,這就使得設計者們能夠更容易地實現(xiàn)事件驅(qū)動的閉環(huán)控制方案。此外,PMBus 協(xié)議規(guī)定所有從屬設備必須將其默認的配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲器內(nèi)或使用針腳編程,這樣它們在上電時無須再與總線通信。這樣系統(tǒng)啟動時間大大少于市場上的其他數(shù)字控制解決方案。該解決方案要求控制總線對所有的從屬設備進行配置以作為上電初始化程序的一部分。
每個從屬設備的物理地址是通過專門的針腳來定義的。硅生產(chǎn)商可以提供各種各樣的創(chuàng)新方案,如3種狀態(tài)的針腳和電阻阻值編程等。除了SMBus的時鐘、數(shù)據(jù)及中斷線之外,PMBus協(xié)議還規(guī)定了兩種與電源轉(zhuǎn)換設備共同使用的硬件信號,一個是與總線發(fā)出的命令共同使用的控制信號,用于啟動和關閉單個從屬設備:另一個是可選的“寫保護”信號,可用于防止更改存儲器中的數(shù)據(jù)。典型實例如圖2所示。 SMBus 使用有線的“與”(邏輯電路)連接到總線上的所有設備,以便在總線上的設備發(fā)生沖突時做出裁決,這在電氣方面與I2C總線相似。
圖2:基于PMBus的數(shù)字電源管理的典型連接
與其他的電源管理結構不同,PMBus 有一個顯著的特點,即主控設備不是基于自主設計的硅,也不作為一個轉(zhuǎn)換器。主機與電源之間的所有通信都是通過總線來完成的。這就節(jié)省了執(zhí)行成本以及提供一個更為靈活的控制方法。主機可以是系統(tǒng)現(xiàn)有的處理器、一個低成本的通用微控制器或FPGA中的一些門,當然也可以是在不同時期的不同的器件。例如,在單板設計階段,一臺便攜式電腦可以當做一個主機,然后在生產(chǎn)測試時,主機也可以由自動測試設備來擔當,以便全面核實單板的性能,如有必要,可動態(tài)更改單個電源轉(zhuǎn)換設備的運行參數(shù)以適應單板上硅的需求。最終通過測試選擇的數(shù)值可以保存在從機的永久存儲器里。
簡單的命令語言
PMBus 的通信是按照一個簡單的命令集進行的。每個包包含一個地址字節(jié),一個命令字節(jié),零個、一個或多個數(shù)據(jù)字節(jié),以及一個可選的包錯誤碼(PEC)字節(jié)。圖3顯示了一個典型的主機到從機的信息傳輸,主機使用單獨的“開始”和“停止”來表明進程的開始和結束。而從屬設備則使用單獨的位來確認收到的每個字節(jié)。為了減少響應時間及處理器開銷,從機在收到“停止”信號時立即處理并執(zhí)行命令,其不同于許多其他的總線協(xié)議,PMBus不會被迫等待單獨的“執(zhí)行”命令。
圖3:標準主從通信順序
當該協(xié)議的一字節(jié)命令代碼表示可能有多達256條命令可用時,這并不表示PMBus 設備要支持所有的命令,實際上許多設備只需使用很小的一部分命令子集來達到預定的目的。由于對該標準的“未來驗證” 得到相當?shù)闹匾?,因此其可提供兩個命令擴展,這兩個命令擴展可以有效地允許雙字節(jié)命令。一個擴展是留給PMBus設備生產(chǎn)商自用的,另一個擴展是用于對該協(xié)議的后續(xù)修訂。
實施簡易
PMBus協(xié)議豐富的命令集使設計者們可以編寫簡易而有效的電源管理程序,容易而快速地執(zhí)行設計方案。負載點轉(zhuǎn)換器的電壓時序控制提供了一個理想的范例。至今,許多設計者們都選擇使用市場上一些高性能的專用IC來完成這個任務。他們都接受這樣一個事實,即要完成電壓時序控制,就要使用IC生產(chǎn)商提供的軟件來開發(fā)程序,而專用IC等器件也要占用單板上的寶貴空間。而直接采用PMBus控制的轉(zhuǎn)換器則提供了一個更經(jīng)濟靈活的解決方案,使得在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)的任何時間點,都可以更改各種運行參數(shù),以適應工程更改的需求。
負載點轉(zhuǎn)換器的上電時序控制只需要兩個PMBus命令,如圖4所示。TON_DELAY設定了轉(zhuǎn)換器等待開始上電的時間,而TON_RISE 則設定了從零增至最終編程數(shù)值的時間。用戶只需要對每個轉(zhuǎn)換器編程它的啟動延遲時間和啟動上升時間。同樣地,對于掉電時序控制,只需要兩個命令TOFF_DELAY和TOFF_FALL。
圖4:啟動/關閉通常只需要4個PMBus命令
電壓余量是數(shù)字可編程轉(zhuǎn)換器讓設計者和生產(chǎn)測試人員覺得輕松簡易的另一個領域?,F(xiàn)在許多單板生產(chǎn)商在面對供電電壓的小差異時,都使用這一技術來評估集成電路的性能。作為正常生產(chǎn)測試進程的一部分,任何邊緣的或低于規(guī)格的器件都可以進行更換,以免其成為昂貴的、難以更正的廢品。至今,電壓余量測試已經(jīng)成為一項高重復性和耗時的程序,這項工作要將不同數(shù)值的電阻器裝入DC/DC轉(zhuǎn)換器中,以便使其輸出電壓與標稱值僅偏差幾個百分點。通過使用符合PMBus協(xié)議的負載點轉(zhuǎn)換器,這個過程變得極為簡單,只要使用僅僅兩個命令(VOUT_MARGIN_HIGH和VOUT_ MARGIN_LOW),每個轉(zhuǎn)換器就可以傳輸緊密控制的測試電壓,而單板性能的效果也得到監(jiān)控。這樣做可以減少生產(chǎn)測試時間,有助于消除不確定性,以及獲得清楚的測試記錄結果。
業(yè)界的認可
PMBus協(xié)議已經(jīng)獲得了確保其成功所需要的動力。該協(xié)議是在2004年10月由兩家世界領先的電源公司Artesyn Technologies和Astec Power,以及六家以上的世界領先半導體生產(chǎn)商共同建立的。隨后電源生產(chǎn)商的POLA和DOSA聯(lián)盟組織認可了這個標準,許多大型的電源公司也都在開發(fā)符合該標準的產(chǎn)品。
今年已有一些公司和研究機構發(fā)布了支持PMBus協(xié)議的幾個產(chǎn)品,德州儀器、Intersil、Zilker實驗室及Silicon 實驗室都發(fā)布了符合PMBus協(xié)議的電源管理半導體產(chǎn)品。Artesyn現(xiàn)在正在發(fā)布其第一批符合PMBus 標準的負載點轉(zhuǎn)換器,接下來將是其他與PMBus兼容的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品,其具有更高的集成度和更多可編程性。
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