數(shù)字電源轉(zhuǎn)換極大地降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并增加了設(shè)計(jì)靈活性。 圖 1 顯示了數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的基本功能塊，有了這些功能塊就可以通過編輯參數(shù)來調(diào)節(jié)如輸入、輸出電壓和電流限值之類關(guān)鍵設(shè)置，從而避免了因修改參數(shù)而必須重新焊接模擬替代元器件的需要。

圖 1：數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的參數(shù)是通過寫入寄存器來確定的。

作為與轉(zhuǎn)換器寄存器進(jìn)行交互的方式，PMBus 規(guī)范提供了一個(gè)便利的平臺(tái)。 PMBus 從流行的系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 規(guī)范發(fā)展而來，因此依賴包含控制、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的 I2C 總線物理連接。 當(dāng)然，相比 SMBus 和 I2C，PMBus 具有大量增強(qiáng)功能，如超時(shí)功能帶來的額外強(qiáng)大性能，以及錯(cuò)誤檢查和故障處理功能，以降低噪聲靈敏度。

PMBus 是數(shù)字電源時(shí)代的自然產(chǎn)物，適合與所有類型的數(shù)字轉(zhuǎn)換器通信，包括像中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 和非隔離式負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器這樣的 AC/DC 前端電源、隔離式 DC/DC 穩(wěn)壓器。 諸如 Murata D1U54P-W-650-12-HBxC 系列 AC/DC 前端轉(zhuǎn)換器或 CUI NDM2Z-25 負(fù)載點(diǎn) (POL) 轉(zhuǎn)換器之類器件，帶有集成 PMBus 端口，允許設(shè)備直接連接到總線，從而實(shí)現(xiàn)與主機(jī)控制器的信息交換。 這可以是外部系統(tǒng)，如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 或提供一個(gè) GUI 來配置和監(jiān)控電源元件的 PC 軟件，或者是能實(shí)時(shí)管理電源的嵌入式控制器。

另一方面，還有大量符合 PMBus 規(guī)范的電源管理 IC (PMIC)，如 Maxim MAX34451，它們能連接到 PMBus，并能監(jiān)控多個(gè)轉(zhuǎn)換器。 圖 2 所示 MAX34451 能支持 16 個(gè)通道的電壓或電流監(jiān)控、12 個(gè)通道的定序和裕量管理，以及多至 5 個(gè)溫度傳感器。 電流監(jiān)控可以通過如 Allegro Microsystems ACS723 隔離式電流檢測(cè) IC 之類設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

圖 2：PMBus 兼容 PMIC 可以監(jiān)視和控制 POL 轉(zhuǎn)換器陣列。

PMBus 規(guī)范旨在最大限度地提高用戶的靈活性。 為此，符合規(guī)范的設(shè)備必須能夠在沒有 PMBus 控制器的情況下獨(dú)立啟動(dòng)，并能夠自動(dòng)加載默認(rèn)設(shè)置；設(shè)備可以通過 PMBus 配置一次，然后在整個(gè)設(shè)備生命周期一直運(yùn)行下去，或由系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)管理。 若需要，遠(yuǎn)程更新也可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，以幫助降低設(shè)備擁有成本。

該規(guī)范定義了大量指令，以便讓主機(jī)與連接的設(shè)備交互。 但是，這些設(shè)備不一定要支持所有指令才會(huì)被認(rèn)可為 PMBus 兼容。 當(dāng)選擇設(shè)備時(shí)，檢查支持的指令集很重要。 另一方面，規(guī)范允許廠商創(chuàng)建特定指令，例如控制給定設(shè)備的特有或差異化的功能。 值得注意的還有主機(jī)通知功能，它允許連接的設(shè)備警告控制器需要注意的問題。雖然許多設(shè)備都支持該功能，但對(duì)于 PMBus 設(shè)備，該功能是可選的。

PMBus 配置和測(cè)試指令

電源設(shè)計(jì)平臺(tái)，如 Texas Instruments 的 WEBENCH 或 Linear Technology LTpowerPlay?，在開發(fā)和生產(chǎn)期間為工程人員提供一種便利的與數(shù)字電源交互的方式，以執(zhí)行設(shè)置和基本測(cè)試。 某些最基本的指令用于打開和關(guān)閉設(shè)備，以及執(zhí)行裕量測(cè)試。

裕量測(cè)試指令 VOUT_MARGIN_HIGH 和 VOUT_MARGIN_LOW 提供了一種快速簡(jiǎn)單的方式，來驗(yàn)證系統(tǒng)是否能在整個(gè)制造公差范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。 OPERATION 指令指示轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)、停止或?qū)⑤敵鲭妷焊牡揭蟮脑Ａ侩妷骸?/p>

ON_OFF_CONFIG 指令確定轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)或關(guān)閉的條件。 它可配置成在供電后立即啟動(dòng)、或者等待另外的信號(hào)。 類似地，轉(zhuǎn)換器可能需要立即關(guān)閉，或者經(jīng)過延遲后再關(guān)閉。 TON_DELAY、TON_RISE、TOFF_DELAY 和 TOFF_FALL 等指令控制對(duì)啟用/禁用信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度以及輸出的上升或下降速率。 這可用來管理多電源軌系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器定序。 此外，還有大量更改和校準(zhǔn)輸出電壓的指令，包括 VOUT_COMMAND、VOUT_TRIM 和 VOUT_CAL_OFFSET。

設(shè)計(jì)人員還可以利用一些指令來幫助在板載非易失性存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)參數(shù)和防止轉(zhuǎn)換器應(yīng)用不當(dāng)設(shè)置。 這些指令包括 STORE_DEFAULT_ALL、RESTORE_DEFAULT_ALL、STORE_DEFAULT_CODE、RESTORE_DEFAULT_CODE、WRITE_PROTECT 和 PHASE。 PHASE 可用于確保多電壓軌或多相系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器對(duì)正確的指令作出響應(yīng)。

轉(zhuǎn)換器配置的另一個(gè)重要方面是確定檢測(cè)到故障時(shí)的響應(yīng)。 根據(jù)系統(tǒng)或應(yīng)用的類型或者存在問題的電壓軌，處理過流或欠壓等故障的適合方式可能是等待一段時(shí)間再關(guān)閉，或者關(guān)閉并嘗試重啟特定次數(shù)，或者立即關(guān)閉且不再采取任何措施。 諸如 IOUT_OC_FAULT_LIMIT、IOUT_OC_FAULT_RESPONSE、VIN_UV_FAULT_LIMIT、VIN_UV_FAULT_RESPONSE、OT_FAULT_LIMIT 和 OT_FAULT_RESPONSE 之類指令可讓用戶靈活地選擇故障管理選項(xiàng)。 若選中的配置需要用戶交互才能重啟轉(zhuǎn)換器，則 CLEAR_FAULTS 指令提供重置故障狀態(tài)寄存器位的方式，以便可以開始重啟。

系統(tǒng)診斷支持

數(shù)字電源和 PMBus 通信的組合簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和廠商的工作，具有諸多優(yōu)勢(shì)，如更短的設(shè)計(jì)周期、更輕松地執(zhí)行嚴(yán)格的測(cè)試?yán)蹋约霸试S在生產(chǎn)線上對(duì)各裝置針對(duì)特定應(yīng)用或市場(chǎng)進(jìn)行自定義，從而實(shí)現(xiàn)靈活的產(chǎn)品管理。

PMBus 還提供許多方式來幫助管理和維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)部署的系統(tǒng)。 這些指令提供了監(jiān)控轉(zhuǎn)換器狀態(tài)和收集遙測(cè)數(shù)據(jù)的方式，收集的數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控系統(tǒng)健康、支持預(yù)測(cè)性維護(hù)。 遙測(cè)指令包括 READ_VIN、READ_VOUT、READ_IIN、READ_IOUT、READ_TEMPERATURE、READ_DUTY_CYCLE、READ_PIN 和 READ_POUT。

對(duì)于狀態(tài)報(bào)告，STATUS_BYTE 指令可檢查八個(gè)最關(guān)鍵的電源轉(zhuǎn)換器故障的狀態(tài)標(biāo)記。 STATUS_WORD 是一個(gè) 16 位的狀態(tài)字，不僅含有八個(gè) STATUS_BYTE 標(biāo)記，還有另外八個(gè)狀態(tài)標(biāo)記，包括其他故障或警告、以及一個(gè)電源不良標(biāo)記。 這兩個(gè)指令允許系統(tǒng)快速有效地檢查轉(zhuǎn)換器狀態(tài)。 STATUS_BYTE 尤其有效，即使當(dāng)總線上出現(xiàn)大量其它流量時(shí)，也可對(duì)重要指標(biāo)進(jìn)行檢查。 若發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)狀態(tài)標(biāo)記指示故障，系統(tǒng)可以查詢相關(guān)寄存器的完整內(nèi)容，以獲取更多信息。 圖 3 詳細(xì)說明了狀態(tài)字節(jié)和狀態(tài)字的內(nèi)容及其相關(guān)寄存器。

圖 3：狀態(tài)字節(jié)和狀態(tài)字以及關(guān)聯(lián)的條件寄存器。

性能和效率的動(dòng)態(tài)優(yōu)化

可以說，對(duì)于當(dāng)今追求利用數(shù)字電源的設(shè)計(jì)人員而言，最令人興奮的機(jī)會(huì)之一就是能使用 PMBus 通信功能提高系統(tǒng)性能和效率。 數(shù)字控制的靈活性，結(jié)合廠商特定 PMBus 指令的其它功能，現(xiàn)在允許在運(yùn)行過程中應(yīng)用優(yōu)化的反饋回路參數(shù)，或者甚至在負(fù)載電容已知后計(jì)算系統(tǒng)中的這些參數(shù)。 這與固定參數(shù)的傳統(tǒng)電源模塊形成對(duì)比，后者只能針對(duì)較小范圍的負(fù)載電容較好地工作。 超出此范圍的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致性能下降，或者轉(zhuǎn)換器反饋回路變得不穩(wěn)定。

此外，最佳能效電壓調(diào)節(jié)可通過 PMBus 指令有效解決。 最新版 PMBus 1.3 規(guī)范引入了對(duì)電壓調(diào)節(jié)支持的重要擴(kuò)展。 在負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器為微處理器或 FPGA 供電的情況下，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) (DVS) 就是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，允許負(fù)載設(shè)備對(duì)核心邏輯發(fā)出較低供電電壓的指令，從而在需求降低時(shí)節(jié)省電能。 DVS 是一項(xiàng)開環(huán)技術(shù)，處理器可以通過它按需更改操作頻率，并可參考查詢表，從轉(zhuǎn)換器請(qǐng)求適當(dāng)?shù)墓╇婋妷骸?/p>

最新的 PMBus 規(guī)范允許設(shè)計(jì)人員利用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) (AVS)實(shí)現(xiàn)更精確的工作電壓優(yōu)化。 因?yàn)?AVS 用實(shí)時(shí)反饋來連續(xù)更新請(qǐng)求的電壓，任何過程相關(guān)的影響因素和依賴溫度的變化也納入了考慮范圍。 這有助于進(jìn)一步減少工作電壓裕量和整體能耗。 相比固定電壓方案，AVS 可以降低高達(dá) 40% 的能耗。

PMBus 1.3 中引入的 AVSBus 支持規(guī)定了轉(zhuǎn)換器和由 AVS_Clock、AVS_MData 及 AVS_SData 信號(hào)組成的負(fù)載之間的三線點(diǎn)到點(diǎn)連接。 這是不同于 PMBus 的額外鏈接，它在高得多的 50 MHz 頻率下工作（PMBus 1.2 及以上版在 1 MHz 下工作），因此允許電壓在 640 ns 內(nèi)更新，以響應(yīng)不斷變化的負(fù)載需求。

結(jié)論

PMBus 正日趨廣泛地用于輔助設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，并且該規(guī)范還在繼續(xù)發(fā)展，以獲取更多改進(jìn)并加入其它特性。 該規(guī)范提供了多種基于 PC 的設(shè)計(jì)和配置工具，便于使用 PMBus 指令與數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交互。 各種各樣的指令為應(yīng)用軟件提供了與電源模塊廣泛交互的機(jī)會(huì)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功率輸出監(jiān)控和調(diào)節(jié)，并因此而優(yōu)化系統(tǒng)的能效和可靠性。 PMBus 規(guī)范所包含的新特性，例如允許支持自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)的 AVSBus，使 PMBus 能夠在其整個(gè)工作壽命中幫助優(yōu)化和維護(hù)設(shè)備，并發(fā)揮越來越重要的作用。