PMBus——數(shù)字電源開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

　 
 
近年來，許多相關(guān)的因素導(dǎo)致對數(shù)字電源管理的需求急劇上升。許多板卡設(shè)計(jì)人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向開發(fā)中間總線電源結(jié)構(gòu)，通過使用多個(gè)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(dǎo)致一個(gè)很明顯的結(jié)果就是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、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(fù)雜。光是控制上電/下電時(shí)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(shí)反饋設(shè)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(jìn)行設(shè)置和控制。即使具有最先進(jìn)電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)間、輸出點(diǎn)值及開關(guān)頻率等參數(shù)。當(dāng)然，這些參數(shù)沒有一個(gè)是可以在匆忙中更改的，因此自適應(yīng)的電源管理方案也就不可能實(shí)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(fù)載點(diǎn)（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(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@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(gè)需求也適合于隔離轉(zhuǎn)換器，因此，毫無疑問，設(shè)計(jì)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(gè)具有8個(gè)可編程負(fù)載點(diǎn)
轉(zhuǎn)換器的USB驅(qū)動的單板及一個(gè)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(dá)成共識。許多電源生產(chǎn)商已經(jīng)推出了數(shù)字可編程負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，向解決這個(gè)問題的方向邁進(jìn)了，但是轉(zhuǎn)換器是基于自主開發(fā)的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體器件，因此開發(fā)成本會比較高，這就需要從其他方面進(jìn)行補(bǔ)償，將顧客鎖定在狹窄的供應(yīng)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(xiàng)技術(shù)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(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促進(jìn)與電源轉(zhuǎn)換器或其他設(shè)備的通信。該協(xié)議是由一群認(rèn)為由于沒有合適的標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體生產(chǎn)商共同建立的。目前，這個(gè)協(xié)議正在迅速地獲得業(yè)界的認(rèn)可。今年3月，該協(xié)議的修正版1.0公之于眾，而其所有權(quán)也交由獨(dú)立的特別利益組織（SIG，即系統(tǒng)管理接口論壇），負(fù)責(zé)該標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。

值得注意的是PMBus 并不是一個(gè)針對AC/DC或DC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)體和電源生產(chǎn)商負(fù)責(zé)）。

低成本實(shí)時(shí)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(gè)功能更為強(qiáng)健的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)I2C串行總線的版本，具有分組錯(cuò)誤檢查和主機(jī)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(wù)器的通信系統(tǒng)管理。SMBus廣泛應(yīng)用于基于 Intel技術(shù)的服務(wù)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(gè)第三信號線 SMBALERT，可以使從屬設(shè)備（如負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器）中斷系統(tǒng)主機(jī)或總線的控制，這種安排要比系統(tǒng)使用主機(jī)來不斷輪詢從機(jī)的方式更為靈活，而且其對主機(jī)處理器造成的負(fù)擔(dān)也更小，這就使得設(shè)計(jì)者們能夠更容易地實(shí)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(shè)備必須將其默認(rèn)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(shí)無須再與總線通信。這樣系統(tǒng)啟動時(shí)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(shè)備進(jìn)行配置以作為上電初始化程序的一部分。

每個(gè)從屬設(shè)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(shí)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(gè)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(gè)從屬設(shè)備：另一個(gè)是可選的“寫保護(hù)”信號，可用于防止更改存儲器中的數(shù)據(jù)。典型實(shí)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(shè)備，以便在總線上的設(shè)備發(fā)生沖突時(shí)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(jié)構(gòu)不同，PMBus 有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即主控設(shè)備不是基于自主設(shè)計(jì)的硅，也不作為一個(gè)轉(zhuǎn)換器。主機(jī)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(gè)更為靈活的控制方法。主機(jī)可以是系統(tǒng)現(xiàn)有的處理器、一個(gè)低成本的通用微控制器或FPGA中的一些門，當(dāng)然也可以是在不同時(shí)期的不同的器件。例如，在單板設(shè)計(jì)階段，一臺便攜式電腦可以當(dāng)做一個(gè)主機(jī)，然后在生產(chǎn)測試時(shí)，主機(jī)也可以由自動測試設(shè)備來擔(dān)當(dāng)，以便全面核實(shí)單板的性能，如有必要，可動態(tài)更改單個(gè)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以適應(yīng)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(jī)的永久存儲器里。

簡單的命令語言

PMBus 的通信是按照一個(gè)簡單的命令集進(jìn)行的。每個(gè)包包含一個(gè)地址字節(jié)，一個(gè)命令字節(jié)，零個(gè)、一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，以及一個(gè)可選的包錯(cuò)誤碼（PEC）字節(jié)。圖3顯示了一個(gè)典型的主機(jī)到從機(jī)的信息傳輸，主機(jī)使用單獨(dú)的“開始”和“停止”來表明進(jìn)程的開始和結(jié)束。而從屬設(shè)備則使用單獨(dú)的位來確認(rèn)收到的每個(gè)字節(jié)。為了減少響應(yīng)時(shí)間及處理器開銷，從機(jī)在收到“停止”信號時(shí)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(dú)的“執(zhí)行”命令。



圖3：標(biāo)準(zhǔn)主從通信順序

當(dāng)該協(xié)議的一字節(jié)命令代碼表示可能有多達(dá)256條命令可用時(shí)，這并不表示PMBus 設(shè)備要支持所有的命令，實(shí)際上許多設(shè)備只需使用很小的一部分命令子集來達(dá)到預(yù)定的目的。由于對該標(biāo)準(zhǔn)的“未來驗(yàn)證” 得到相當(dāng)?shù)闹匾?，因此其可提供兩個(gè)命令擴(kuò)展，這兩個(gè)命令擴(kuò)展可以有效地允許雙字節(jié)命令。一個(gè)擴(kuò)展是留給PMBus設(shè)備生產(chǎn)商自用的，另一個(gè)擴(kuò)展是用于對該協(xié)議的后續(xù)修訂。 

實(shí)施簡易

PMBus協(xié)議豐富的命令集使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的電壓時(shí)序控制提供了一個(gè)理想的范例。至今，許多設(shè)計(jì)者們都選擇使用市場上一些高性能的專用IC來完成這個(gè)任務(wù)。他們都接受這樣一個(gè)事實(shí)，即要完成電壓時(shí)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(gè)更經(jīng)濟(jì)靈活的解決方案，使得在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)的任何時(shí)間點(diǎn)，都可以更改各種運(yùn)行參數(shù)，以適應(yīng)工程更改的需求。

負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的上電時(shí)序控制只需要兩個(gè)PMBus命令，如圖4所示。TON_DELAY設(shè)定了轉(zhuǎn)換器等待開始上電的時(shí)間，而TON_RISE 則設(shè)定了從零增至最終編程數(shù)值的時(shí)間。用戶只需要對每個(gè)轉(zhuǎn)換器編程它的啟動延遲時(shí)間和啟動上升時(shí)間。同樣地，對于掉電時(shí)序控制，只需要兩個(gè)命令TOFF_DELAY和TOFF_FALL。


圖4：啟動/關(guān)閉通常只需要4個(gè)PMBus命令

電壓余量是數(shù)字可編程轉(zhuǎn)換器讓設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)測試人員覺得輕松簡易的另一個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)在許多單板生產(chǎn)商在面對供電電壓的小差異時(shí)，都使用這一技術(shù)來評估集成電路的性能。作為正常生產(chǎn)測試進(jìn)程的一部分，任何邊緣的或低于規(guī)格的器件都可以進(jìn)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(xiàng)高重復(fù)性和耗時(shí)的程序，這項(xiàng)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(biāo)稱值僅偏差幾個(gè)百分點(diǎn)。通過使用符合PMBus協(xié)議的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，這個(gè)過程變得極為簡單，只要使用僅僅兩個(gè)命令（VOUT_MARGIN_HIGH和VOUT_ MARGIN_LOW），每個(gè)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(shí)間，有助于消除不確定性，以及獲得清楚的測試記錄結(jié)果。

業(yè)界的認(rèn)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(lǐng)先的電源公司Artesyn Technologies和Astec Power，以及六家以上的世界領(lǐng)先半導(dǎo)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(rèn)可了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，許多大型的電源公司也都在開發(fā)符合該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

今年已有一些公司和研究機(jī)構(gòu)發(fā)布了支持PMBus協(xié)議的幾個(gè)產(chǎn)品，德州儀器、Intersil、Zilker實(shí)驗(yàn)室及Silicon 實(shí)驗(yàn)室都發(fā)布了符合PMBus協(xié)議的電源管理半導(dǎo)體產(chǎn)品。Artesyn現(xiàn)在正在發(fā)布其第一批符合PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載點(diǎn)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。