利用智能電源轉(zhuǎn)換器全面提升系統(tǒng)性能

PMBus協(xié)議破除專有技術(shù)壟斷

一直以來，AC/DC和DC/DC電源轉(zhuǎn)換發(fā)展的重點(diǎn)主要都在降低成本、縮小尺寸、提高效率和提升功率密度上，隨之而來的要求就是適應(yīng)半導(dǎo)體器件不斷降低的工作電壓和不斷增大的電流需求。最近幾年，又出現(xiàn)了一種新的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即通過整合更多智能化功能以增強(qiáng)系統(tǒng)級(jí)功能，主要是配置、控制和監(jiān)控功能，從而幫助用戶降低產(chǎn)品總成本。

最初，主要工作集中在數(shù)字通信領(lǐng)域，有許多總線標(biāo)準(zhǔn)共同競(jìng)爭(zhēng)在該領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。然而，由于缺少行業(yè)范圍的共識(shí)，從而導(dǎo)致各電源芯片制造商開發(fā)出各不相同的方案，結(jié)果每家都有自己的專有架構(gòu)和軟件。鑒于此種情況，2004年10月，Astec Power和Artesyn Technologies兩家公司聯(lián)合6家世界頂級(jí)半導(dǎo)體制造商，共同創(chuàng)立了PMBus協(xié)議，力圖通過協(xié)議的來解決專有電源解決方案及其相關(guān)的授權(quán)協(xié)議限制。

PMBus是一套真正的開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電源管理協(xié)議，它全面定義了各個(gè)電源和轉(zhuǎn)換器之間相互通信所需的傳輸和物理接口以及指令語言。該協(xié)議的第一版于2005年3月正式公布，其所有權(quán)轉(zhuǎn)移給系統(tǒng)管理接口論壇(System Management Interface Forum)。系統(tǒng)管理接口論壇(www.powerSIG.com)是一個(gè)獨(dú)立的特別興趣小組，負(fù)責(zé)該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和推廣。最新的規(guī)范草案Revision 1.1X2已于2006年4月發(fā)布。

PMBus總線傳輸層是建立在低成本的1.1版系統(tǒng)管理總線(SMBus)基礎(chǔ)上的。而1.1版SMBus則是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線的一個(gè)更健全的版本，具備數(shù)據(jù)包檢錯(cuò)和主機(jī)通知功能。除了SMBus的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和中斷線之外，PMBus協(xié)議還定義了兩個(gè)硬連線信號(hào)供電源轉(zhuǎn)換器件使用：一個(gè)是控制信號(hào)，與總線上接收到的指令共同作用，來開關(guān)單獨(dú)的從器件；另一個(gè)是可選的“寫保護(hù)”信號(hào)，用于保護(hù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)不會(huì)進(jìn)行任何改變。一種典型的總線實(shí)現(xiàn)方框圖見圖1。

SMBALERT信號(hào)允許從器件中斷系統(tǒng)的主設(shè)備(主機(jī)或總線)。這一安排從本質(zhì)上就比讓主器件不間斷地來選取從器件更方便，而且給主處理器帶來的負(fù)擔(dān)也更小，從而使設(shè)計(jì)師更容易實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制方案。而且，PMBus協(xié)議規(guī)定，所有從器件要么必須將默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中，要么就必須采用管腳編程，也就是說從器件必須能在沒有總線通信的情況下啟動(dòng)。采用該總線的方案，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)短于市場(chǎng)上的其他數(shù)字控制方案，因?yàn)槠渌桨付家笾髌骷谏想姵跏蓟绦蛑信渲盟袕钠骷?/p>

圖1：基于PMBus的數(shù)字電源管理的典型連接方框圖。

PMBus正在被越來越多的廠商接受。迄今為止，已經(jīng)有30家世界領(lǐng)先的電源和半導(dǎo)體制造商采用了該總線標(biāo)準(zhǔn)。最近的一家是2006年9月宣稱加入PMBus組織的英特爾公司，該公司聲稱相信PMBus將是最佳的電源和熱管理接口，而且他們打算幫助推動(dòng)該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，以便滿足企業(yè)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用需求。

分布式電源系統(tǒng)處于領(lǐng)先地位

近幾年，分布式電源系統(tǒng)，包括隔離式AC/DC前端和多個(gè)非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器(有時(shí)也叫做非隔離式負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器)非常流行，甚至有人說是為板上半導(dǎo)體器件提供最終電壓的必不可少的方法。基于此類電源系統(tǒng)的分布式特性日益顯著，而且行業(yè)內(nèi)對(duì)電源器件(例如SMBus)中的數(shù)字通信技術(shù)也比較熟悉，因此這類系統(tǒng)，尤其是DC/DC負(fù)載轉(zhuǎn)換器，理所當(dāng)然成為數(shù)字化的一個(gè)理想選擇，從而可能好不驚奇地最先成為市場(chǎng)上的主流數(shù)字可編程電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

例如，大力支持PMBus協(xié)議的Artesyn就已經(jīng)在試銷一款帶PMBus的POL轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。該產(chǎn)品在電路設(shè)計(jì)師中好評(píng)如潮。盡管目前市場(chǎng)受專利訴訟的影響，相關(guān)的半導(dǎo)體開發(fā)一直保持快速進(jìn)展，而且在數(shù)字技術(shù)展現(xiàn)魅力的系統(tǒng)級(jí)電源管理領(lǐng)域，電源轉(zhuǎn)換市場(chǎng)的其他區(qū)域的發(fā)展也相當(dāng)活躍。

數(shù)字控制的硬件已出現(xiàn)

PMBus實(shí)現(xiàn)者論壇(PMBus Implementers Forum)目前列出了八家領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的多款數(shù)字電源管理芯片，每一款都具備符合PMBus協(xié)議的數(shù)字控制接口和詳盡的PMBus指令集。該論壇的成員都是赫赫有名的半導(dǎo)體公司，例如凌力爾特、美信集成電路、Primarion、Silicon Laboratories、TI和Zilker Labs。

圖3：Astec的DTX系列隔離式磚型電源產(chǎn)品采用帶擴(kuò)展PMBus指令集的全數(shù)字設(shè)計(jì)

這些數(shù)字電源控制芯片的出現(xiàn)意味著智能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的用量正在增加，不過市場(chǎng)的起飛相對(duì)還比較慢。事實(shí)上，AC/DC電源采用數(shù)字接口進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)告結(jié)果已經(jīng)有幾年了。例如，許多服務(wù)器應(yīng)用中的電源就采用了電源管理接口(PSMI)實(shí)現(xiàn)電壓、電流、溫度和風(fēng)扇的監(jiān)控。由于PSMI已經(jīng)采用了SMBus進(jìn)行通信，因而向基于PMBus的控制過渡，將數(shù)字控制的應(yīng)用擴(kuò)展至監(jiān)控之外，并用于實(shí)現(xiàn)由主系統(tǒng)進(jìn)行的主動(dòng)電源管理，也就成為自然而然的事情。此外，AD/DC電源也開始更多地利用數(shù)字接口進(jìn)行配置和設(shè)置，ASTEC的iMP系列電源就是一個(gè)很好的例子，這些電源能提供強(qiáng)大的基于PMBus的可編程配置功能。

目前，人們普遍仍認(rèn)為數(shù)字可編程電源和轉(zhuǎn)換器比相應(yīng)的但不如它們靈活的模擬器件貴得太多，制造商們也一直在苦口婆心地解釋說這是由于早期產(chǎn)品以及對(duì)系統(tǒng)級(jí)電源的成本分析不全面而帶來的誤解。事實(shí)上，只要使用得當(dāng)，新型智能電源所提供的先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)控制功能反而能降低系統(tǒng)的整體成本。此外，關(guān)于數(shù)字控制的DC/DC磚型轉(zhuǎn)換器引腳排列標(biāo)準(zhǔn)(pin-out standard)，業(yè)內(nèi)還有爭(zhēng)議，如何在更小型的外形結(jié)構(gòu)上布置額外的信號(hào)線也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，人們擔(dān)心制造商要去哪里尋找這些額外的空間，尤其是在體積只有原來的1/16的時(shí)候。

然而，大多數(shù)產(chǎn)業(yè)分析師都預(yù)計(jì)智能電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品即將開始快速發(fā)展。圖2給出了數(shù)字控制方面的發(fā)展預(yù)測(cè)圖，即使是最保守的一條上升曲線也預(yù)計(jì)，到2010年，數(shù)字控制的電源產(chǎn)品將占據(jù)整個(gè)市場(chǎng)的40%。這些增長(zhǎng)圖是針對(duì)AD/DC電源和電信專用DC/DC轉(zhuǎn)換器的，但據(jù)預(yù)測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)隔離式磚型DC/DC轉(zhuǎn)換器也有類似的變化，到2010年，數(shù)字控制的產(chǎn)品將占市場(chǎng)的35%~65%。

圖2：數(shù)字電源控制產(chǎn)品的增長(zhǎng)曲線圖。

圖4：Artesyn的新型中間總線轉(zhuǎn)換器ATC210配備了I²C串行總線和直接高速接口用于監(jiān)控、報(bào)告和故障閥值的數(shù)字編程

圖5：Astec的iMP系列AC/DC智能電源具備強(qiáng)大的基于PMBus的編程和監(jiān)控功能

例如，在過去這一年，同屬于艾默生網(wǎng)絡(luò)電源的Astec Power和Artesyn就已經(jīng)推出了符合PMBus規(guī)范的DC/DC轉(zhuǎn)換器和AC/DC電源，以及I²C控制的中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)。數(shù)字控制發(fā)展成為電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的主流所要花的時(shí)間也許比人們預(yù)計(jì)的還要長(zhǎng)，現(xiàn)在看來，將其看作正常的發(fā)展可能比將其看作革命性的發(fā)展更好一些。不過，要否認(rèn)數(shù)字控制在電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品中的未來潛力還是需要很大勇氣的。