詳解電源管理總線（PMBus）數(shù)字電源開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

PMBus(電源管理總線)開放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義了一個用來控制功率轉(zhuǎn)換和管理器件的數(shù)字通信協(xié)議。在供電要求較復(fù)雜的系統(tǒng)中，通常使用多個DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生不同的半導(dǎo)體器件所需要的供電要求。導(dǎo)致一個明顯結(jié)果就是在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)測試及日常使用的過程中，控制和監(jiān)測這些電源將變得更加復(fù)雜。

目前，許多高性能DC/DC轉(zhuǎn)換器仍然通過無源元件產(chǎn)生的模擬信號來進行控制。即使采用最先進的電源電路拓?fù)?，也不得不使用外部的電位器和電容來調(diào)節(jié)諸如啟動時間、輸出電壓值及開關(guān)頻率等參數(shù)，而且這些參數(shù)不能隨時更改。

PMBus是一種開放型標(biāo)準(zhǔn)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實現(xiàn)變換器與其他設(shè)備的通信。PMBus的傳輸層是基于低成本的SMBus(系統(tǒng)管理總線)的1.1版本，這是個功能強健、符合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的I2C串行總線的版本，具有分組校驗和主機通知的功能。

PMBus繼承了SMBus的SMBALERT信號，該信號可使從屬設(shè)備中斷系統(tǒng)主機對總線的控制，此方式一方面減少了系統(tǒng)主機的負(fù)擔(dān)，使主機在大多數(shù)時間內(nèi)進行閉環(huán)控制;另一方面比用專門的微控制器來查詢的方式更靈活。此外，PMBus協(xié)議將從屬設(shè)備的默認(rèn)配置數(shù)據(jù)保存在永久性存儲器內(nèi)或者在硬件上設(shè)置好，在上電的過程中，不需通過總線通信來得到初始配置信息，縮短了啟動時間，也減少了一部分總線數(shù)據(jù)傳輸。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(shè)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(guān)閉單個從屬設(shè)備;另一個是可選的“寫保護”信號，用于防止更改從屬設(shè)備存儲器中的數(shù)據(jù)。

與其他總線不同的是PMBus的主控設(shè)備不是專門的集成電路，這給進行電源管理的主控設(shè)備選型提供了靈活性。當(dāng)電源系統(tǒng)比較龐大時，可以采用PC機配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡來完成各種管理功能，而對于較小的電源系統(tǒng)則可以是單板上現(xiàn)成的微處理器、一些額外的低成本的微控制器或者是PLD器件中的一些門。在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，可以使用不同的設(shè)備作為PMBus的主機。在單板設(shè)計階段，一臺便攜式電腦可以作為總線主機;而在產(chǎn)品實際應(yīng)用時，則使用板上主處理器中的一些硬件資源來控制PMBus總線。在開發(fā)階段，可以通過PMBus總線動態(tài)修改從屬設(shè)備中的設(shè)定值和配置，對于不同的電源系統(tǒng)，可以借鑒相同的PMBus總線配置，只需修改某些特定數(shù)據(jù)。最終通過測試的設(shè)定值和配置通過寫保護功能永久保存在從屬設(shè)備的存儲器之中。圖1所示為一個基于PMBus的數(shù)字電源管理典型連接結(jié)構(gòu)圖。

圖1基于PMBus的數(shù)字電源管理典型連接結(jié)構(gòu)圖

PMBus的通信是按照一個簡單的命令集進行的。每個數(shù)據(jù)包包含一個地址字節(jié)、一個命令字節(jié)、若干個數(shù)據(jù)字節(jié)，以及一個可選的包檢驗碼字節(jié)。圖2所示為一個主機到轉(zhuǎn)換器的信息傳輸。主機使用單獨的“開始”和“停止”來表明進程開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨的位來確認(rèn)收到的每個字節(jié)。

圖2一個主機到轉(zhuǎn)換器的信息傳輸示意圖

與其他總線協(xié)議不同的是，PMBus總線不會等待專門的“執(zhí)行”命令，從屬設(shè)備在收到“停止”信號后，立即處理并執(zhí)行命令，符合電源管理的快速性要求。由于在開發(fā)之初就考慮到其開放性和超前性，PMBus總線協(xié)議支持的指令集可以提供兩個命令的擴展，該擴展可以有效地允許雙字節(jié)命令。一個擴展留給PMBus設(shè)備的生產(chǎn)商，另一擴展則由于協(xié)議本身的后續(xù)升級和修訂。實際應(yīng)用中，PMBus協(xié)議簡單實用的指令集使得電源管理程序的編寫更加快速、簡便。負(fù)載點轉(zhuǎn)換器的電壓時序控制的實現(xiàn)就是很好的例子。上電時序控制對應(yīng)著有兩個PMBus命令，TON_DE2LAY命令設(shè)定了轉(zhuǎn)換器等待開始上電的時間，而TON_RISE則設(shè)定了從零增加到設(shè)定輸出值的時間。所以，用戶可以通過相關(guān)軟件即可對每個轉(zhuǎn)換器的啟動延遲和上升時間進行設(shè)定。同樣，對于掉電時序控制，也有對應(yīng)的掉電延遲命令TOFF_DELAY和下降時間TOFF_FALL設(shè)定。顯而易見，對于整個供電系統(tǒng)的啟動和掉電的時序控制通常只需要4個PMBus命令來設(shè)定。PMBus已經(jīng)得到了業(yè)界的認(rèn)可。