电源管理开始在工控领域腾飞

现场总线

在谈论控制系统时提及以太网似乎有点奇怪，在工厂控制环境中发现PoE更让人感到惊讶，因为PoE最初是为了给VoIP企业电话机供电而设计的。不过，这些貌似不可能的举措其实是有道理的。

连接传感器、激励器和监视与控制它们的计算机的工业网络大部分采用现场总线(fieldbus)来实现(表1)，从而提供实时监视和控制功能。这些网络通常由物理层和适合基本控制单元的数据协议组成，这些控制单元包括传感器和激励器、可编程逻辑控制器(PLC)和比例积分微分(PID)控制器。

现场总线最初是一些电流环路监视和控制系统，使用模拟技术远程测量和控制设备，现在已发展为更快更复杂的系统。然而，这些现场总线都是私有的，相互间不具有互操作性。

从积极的一面看，这些现场总线提供了并继续在提供确定性的硬实时控制性能。从消极的一面看，这些现场总线的架构非常简单，在更高复杂度实现极具挑战性。

随着工业控制网络发展为包含大量传感器和受控设备的正式网络，对使用以太网(IEEE 802.3)的工业控制需求越来越迫切。以太网是数据通信网络的标准。规模经济使得以太网服务器、交换机和软件相对它们高复杂度的功能来说非常便宜。更具吸引力的是，以太网不仅为监视和控制提供了软件支持，还为数据采集与分析甚至会计功能提供软件支持。

虽然以太网不具有确定性，但这种确定性并不总是必需的，因为通常有工作缓冲区存在。当必须提供硬实时控制时，例如必须以100%可预测方式提供中断服务时，能与以太网交互的现场总线，就可以为这些控制环路提供目标解决方案。

PoE标准的演变

基本的PoE开始于思科公司通过双绞线以太网电缆向VoIP商务电话供电的私有技术。在思科开放这个标准后，IEEE 802.3特别工作组开始制定后来成为IEEE 802.3af的基线式PoE标准。PoE使用以太网电缆中的数据线对或“空闲”线对，将48V直流电压从交换机或中跨集线器送到电缆另一端的设备。数据线对通过中心抽头供电，而空闲线对则简单地并联在一起。直流电压的极性没关系，因为在设备控制器芯片之前使用了一个二极管桥。

在刚开始制定802.3af标准时，设计师还不知道最大长度的五类线能处理多大的电流(或更严格的说，在电缆两端装上RJ45连接器后)。因此在连接供电设备(PSE)的电缆供电端功率被限制在15W(电压为直流48V 时)。这个限制反过来会影响电缆另一端的受电设备(PD)。

在电源管理方面，基本的PoE只提供有限的一些功能(在这方面我们只讨论PoE和办公设备)。经观察发现，在办公环境中的以太网网络上，并不是每个节点都需要通过五类线受电，因此这个有限的范围增加了。此外，即使是这些节点上的设备，也并不是每时每刻都需要消耗全部15W功率。

此外，具有足够电能向每个电路提供15W功率的以太网交换机(或给现有以太网网络供电的以太网桥)的价格会很高。解决方案是简单的固定电阻“发现”和“分类”机制。通过这种机制，受电设备可以在接入网络时通知供电设备它们需要的最大电流。

根据基本标准，如果以太网电缆另一端有一个PoE-PD，PSE就可以向以太网电缆供电。PSE是通过检查PD中是否存在25kΩ电阻来实现这一点的。为“发现”PoE-PD，PSE会施加两个电压(由1V和20ms间隔隔开)，并使用结果电流判断电阻值。

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随后的“分类”步骤是可选的。分类的要点是让PSE判断自己是否有足够能力给PD供电。在分类过程中，PSE在电缆线对上临时产生一个15.5至20V的脉冲。作为对这个脉冲的响应，PD可以什么也不做，或者在线上放置一个负载向PSE传递信号。这个信号将告诉PSE，该PD需要的最大电流为：400、300、210或120mA。

PSE端的15W功率限制，几乎从一开始就被证实是一个问题，因为15W功率(在PD端实际上是13W)对于新一代企业级VoIP电话来说是不够的，这种电话具有电话会议功能，需要更多的功率用于视频屏幕背光照明。平移/缩放/倾斜监视摄像机和Wi-Fi节点也需要更大的功率。对PoE来说，这些被认为是突破性应用领域，只要有更多的功率可用。因此，IEEE推出了更高功率的PoE标准，即PoE+，或更正式的叫法——IEEE 802.3at(表2)。

802.3at特别工作组随后增强了基本的PoE分类机制(见图)。在PoE+标准下，所有PSE(基本规格和增强规格)都会发送第一个分类脉冲，PoE+ PSE还会发送第二个脉冲。标准PoE PD只需以平常的方式响应第一个脉冲，不需要做其他事。PoE+ PD则声明通过一个在基本标准中“保留的”电阻负载进行响应，从而把自己定义为标准中所谓的“Class 4(四类)”设备。

如果PSE发送第2个脉冲，那么交换机和设备都会知道有超过15W的功率可用。此时这些设备会放弃原来的电阻性旗语信令，并通过数字方式使用PoE+的链路层数据协议(LLDP)进行协商。

在工业控制领域中，这种方式能起到什么作用呢？目前来说知道所有优点还为时过早，但提供PSE和PD芯片以及用于评估的完整参考设计的芯片制造商Akros Silicon在一份白皮书中考虑了在数据中心应用中的一些可能性。

白皮书指出，PoE+的一个增强特性是“能够比现有标准更详细地控制功率分配。”PoE+能够满足企业“绿色能源”组织日益提高的要求，例如，更高效使用和智能分配电源、减少电源整体尺寸。

考虑到能够使用第二层软件通信询问每个PD，以便动态决定峰值和平均功率要求，该白皮书表示，在像企业这样的应用环境中，VoIP电话不需要通过最初的PSE/PD分类获得稳定的6.5W或13W功率。这些VoIP的待机功率可以降低很低的水平，然后在发起呼叫或其它唤醒事件时，迅速提升到它们的有效功率电平。

“同样，在低光照条件下工作的IP(互联网协议)摄像机，可以用来产生快速移动物体的高清IP视频流，但可能只是在深夜告警状态下才需要最大25.5W的功率，而这个时候正是VoIP电话使用率可能最小的时候，因此，分配给VoIP端口的功率可以重新分配给IP摄像机。”该白皮书指出。在工业控制环境中还有其它类似情景。

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PMBus

PMBus为工业供电控制提供了不同但可作为补充的标准。PMBus是一种双线、确定性的标准，可以提供非常精细的电源控制和监视功能。

“PMBus是Artesyn Technologies(现在是爱默生网络电源公司的一部分)联合不少于6家全球顶级半导体制造商于2004年10月创建的。”嵌入式电源实验室的Bob White表示。在制定PMBus之时，White就在Artesyn Technologies公司工作，自从PMBus诞生之日起，他就是最坚定的支持者。

最初设计的PMBus主要应用于数据中心的电源管理，因为在2004年，这个领域看起来最有前途。虽然在这个领域中的具体实现证明比期望的要慢一些，但这个概念一直没有被放弃。自从PMBus的研究工作启动后，业界对工业控制中电源管理的兴趣越来越浓厚，特别是在去年前后。

PMBus定义了传输和物理接口以及完成数字电源管理所需的命令语言。PMBus传输层基于的是Intel的系统管理总线(SMBus)版本1.1，而SMBus又是基于带数据包纠错和主机通知功能的菲利浦(Philips)I2C串行总线。之所以选择SMBus，是因为它被广泛用于基于Intel的服务器，在这些服务器中，SMBus提供系统管理用智能外设管理接口(IPMI)的物理和传输层。

除了I2的两条线外，SMBus还提供名为SMBAlert#的第3条信号线，这条线允许从设备中断系统主机/总线主设备。这种中断驱动系统可以加强响应的确定性，并分担主处理器负担，使设计师更容易实现事件驱动的闭环控制方案。

当超过极限阈值时，PMBus电源或转换器将这条线拉低以使SMBAlert#有效。作为响应，系统通过向SMBus分支上的所有电源转换器发送告警响应地址(ARA)；接着，使SMBAlert#有效的转换器用它的地址作出响应，然后释放告警线。

对于电源转换设备来说，PMBus协议也规定两条硬连线信号。一条是写保护信号，可以用来防止内存保持数据发生任何变化。另一条是控制信号，用于开关单个独立的从设备。PMBus还要求从设备将它们的默认配置存储在非易失性内存中，或引脚可编程，因此启动时间很短。

命令数据包由1个地址字节、命令字节、0、1或更多数据字节以及一个可选的包错误代码(PEC)字节组成。一般来说，主机使用单个“启动”和“停止”条件，被寻址的客户设备通过单个“确认”位作出响应。这里没有“执行”命令，从设备一收到停止位就开始处理和执行。

针对这类应用的PMBus命令可以被分成三大类：电源检测、热管理和诊断。为检测系统电源转换器中的功耗，PMBus提供命令(表3)进行功率的读入和读出以及电流的读入和读出。数据表达式是：

X=Y×2N

这里尾数Y是一个11位的整数补码，代表最低位。N是定义缩放比例的指数，是一个5位的整数补码，代表最高位。对于任何特定的电源来说这是个常数。系统可以根据Y和N判断现实中的X值。

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电源管理规范

对于工业控制中的电源管理，须真正关心什么内容呢？可以与数据中心作个比较。“理解在数据中心、机架、系统和子系统级的什么地方消耗多少功率，有助于优化数据中心的供电和冷却系统。”Intel公司的Brian Griffith表示。

一个目标是通过最大化系统、电源分配单元(PDU)、冷却单元和不间断电源(UPS)系统的可用资源来控制温度(在数据中心，还可以通过虚拟化转移负载)。这个目标可以通过使用位于电源和母板上的PMBus功率传感器来实现。

Griffith表示，能够确定到系统电源的交流输入功率对电源管理来说非常有用。例如，通过设置系统、机架和管理者能够使用的总功率的最大门限，可以防止设备形成热点。另外，监视每个系统的功耗可以使管理者有效地处理其它资源，如空调、电源分配单元和数据中心或工厂中的UPS，从而使他们工作得更加有效。

Griffith在数据中心方面提到了“回充(charge back)”概念，并表示在共存环境中，管理者会根据最终用户对总系统功耗的贡献给他们开帐单。这是使用交流输入功率数据的另一个地方。出于这个目的，可以这样计算交流到直流电源的输入功率：将交流波形上的瞬时电压和电流相乘，再在回充时间内对结果值进行平均，这样就可以得到电源输入端的真实平均功率。

实现方式有多种。算术平均法要求累加平均周期内的传感器数据，然后将累加结果除平均周期。这种做法比较简单，但当负载变化较大时结果不准确。另外一种方法是根据平均周期内保存的所有传感器数据点计算运行中的算术平均值。这种方法比较准确，但需要一定的专用内存。

同样，计算输入电流和输入电压的均方根值(rms)也有多种方法。要想获得真实的均方根值，所要做的是保存足够多的数据点以组成至少一个交流周期，然后再计算均方根参数值。对电流来说应该是：

Irms=√((X1+X2+...+Xn)/n)

如果可以牺牲一点精度，则可读取交直流转换器的次级参数值，并将整流后的平均值乘以1.11，前提是交流信号必须是真正的正弦波。

系统根据READ_POUT和READ_IOUT命令产生的数据来判断系统电源和下游转换器的百分比加载状态。这些数据还可以用在电源管理算法中，以评估有多少功率消耗在系统的不同部分。

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热管理

不管是用在数据中心还是工厂，PMBus热管理命令都包含风扇监视、风扇控制和温度检测。当电源风扇也用于冷却系统中的其它元件时，这些命令非常有用。

为实现这些热管理命令，系统应能根据需要冷却的系统元件的温度来控制风扇。例如，FAN_COMMAND_x(这里的x是从1到4的数字)可以用来控制多达4个电源中的风扇。同样，READ_TEMPERATURE_x命令可以用来读取电源内部多达三个点的温度。

Griffith指出，电源具有相对较高的故障率。他还表示，在有更多可用信息的情况下，能更容易地判断和隔离故障的根源。

STATUS_WORD命令通过对所有故障和告警条件的高水平总结提供第一层诊断信息。如果需要更详细的信息，还可以使用第二层状态命令，包括STATUS_INPUT和STATUS_TEMPERATURE。STATUS命令的结果包括：

输入电压：警告输入电压是否降得太低，当输入电压低于最小工作点时指示故障。

输出电压：当输出电压超出工作范围时提供告警和故障指示。

温度：当温度将要超过最大工作点时产生告警，当过高的温度导致电源关闭时指示故障。

风扇速度：当风扇速度太慢时(表示磨损严重)发出告警，并当慢速运转的风扇导致电源关闭时指示故障。

输出电流：当系统将电源加载到最大额定值时发出告警，并当过载导致电源关闭时指示故障。

作者：Don Tuite

《Electronic Design》