数字电源管理技术及电源管理总线

人们对高效电源的需求和电子产品尺寸的减小，推动着数字电源技术和功率管理技术的发展。现代化的功率管理半导体已经将功率开关与多个相关保护及控制电路集成在一起，来降低功率管理设备中的电路板占位面积，并实现了保护、控制与故障监控等功能的组合。同时，数字化电源管理集成电路不满足于仅有的电压、电流、温度等参数的检测，逐步发展为集成了数字化PWM 控制、ADC和通信功能，并正在向着成为完整的电源片上系统的方向不断发展。

1 数字化电源管理技术介绍及应用
   
新一代集成电路需要3．3 V，1．8 V甚至更低的电源电压，单个器件需要多路电压供电，而且电流的需求很大，电压也必须以正确的时序加到器件上。为这些器件供电的电压必须在电路板上(最好在距离这些器件近的地方)产生，以使压降最小和电压稳定。高性能的DC／DC转换器适用于宽范围输入，既可作为隔离式电源，也可作为非隔离负载点转换器。因此，大多数板载电源系统已经采用DC／DC转换模块作为供电主体。但是，若缺少了电源管理电路，则无法构建一个完整、健全的电源系统。电源管理的内容包括：电源系统监控、定序和跟踪、监视和失效保护。电源管理器件在输入端处理共模抑制、起动限制、起动和关闭的控制，甚至功率因数校正等功能。配置在输出端的电源管理器件控制启动定序和输出电压调节，并为过欠压、过流情况提供相应的失效保护。所有相关功能电路均要求与主电路隔离。图1所示为在隔离型AC／DC变换器中电源管理器件的主要应用。
   
专用的数字电源管理器件比通常采用的模拟电路或微控制器、可编程逻辑器件等方法在成本、开发周期和可靠性方面具有较大优势。新一代的数字电源管理器件内部集成了能够满足实时监控需求的快速ADC，使它能比通用微控制器的片外ADC更快地反映失效。监测数据通过I C或PMBus总线传输给电源主控制器，用以实现精准的调压设置、故障保护等功能。内部的时钟可实现故障记录。对于多路输出的电源系统，数字电源主控制器实时地通过总线接口从各输出端的管理器件内读出各路输出的监测数据，实现了电源系统的全面监视。一旦软件设计通过，相同的源文件和配置文件可以用于该设计的所有产品，性能在单元之间是一致的，而模拟电路则会因元件本身差异导致性能不一。
   
传统的，依靠模拟电路实觋电源管理，通过放大器、比较器和RC时间延迟来设置各个参量的电源系统管理电路已经比不上数字化电源管理器件的优越性。随着设计的深入，元器件不再随着参量的改变而改变，电路板也不再需要反复重新加工。采用专门的数字电源管理器件，允许通过配置软件来设置工作参量。设计期间的更改可以很容易地通过软件实现，不需作硬件的改变。配置软件只要求设计人员调节少数参量，当所有参数设置完毕后，可以通过I C端口用编程下载线下载到数字电源管理器件中。图2为典型的电源管理器件的内部功能单元框图。
   
除了专门的电源管理集成电路应用在电源系统的监控上以外，新一代集成电路也在自身的设计上，增加了减小功耗和部分功率管理方面的功能，提供了与数字电源、数字化电源管理器件的通信接口。这已经在较高档的数字处理器上得到了体现。通过数字处理器和DC／DC变换器、数字电源管理单元之间的通信，处理器可以根据自身当前的处理速度和任务强度自动调节所需的电源电压。数字电源和功率管理单元内部包含若干寄存器，当处理器所需要的电压发生变化时，则通过总线接受新的数据来配置相关寄存器，或者在数字电源内部程序的查找表中找到相关设置值。此种方案在功耗要求严格的领域正成为主流应用。对于内部各部分供电分开的处理器，可将正处于待命或睡眠状态的功能单元完全断电，这将进一步减小功耗，但对于供电管理提出了更高的要求，不仅输出端口增加，对不同端口的设置和监测将显著增加数字电源管理单元内程序的复杂程度。处理器内部的硬件性能监视器则可以实现在特定时间内提供最低的供电电压。监视器的信息直接来源于处理器内部，所以监视系统的闭环完全处在处理器芯片内部，实现了功率管理的SOC设计 [p]

2 PMBUS数字电源开放标准协议
   
PMBus(电源管理总线)开放标准规范定义了一个用来控制功率转换和管理器件的数字通信协议。在供电要求较复杂的系统中，通常使用多个DC／DC转换器来产生不同的半导体器件所需要的供电要求。导致一个明显结果就是在产品设计、生产测试及日常使用的过程中，控制和监测这些电源将变得更加复杂。目前，许多高性能DC／DC转换器仍然通过无源元件产生的模拟信号来进行控制。即使采用最先进的电源电路拓扑，也不得不使用外部的电位器和电容来调节诸如启动时间、输出电压值及开关频率等参数，而且这些参数不能随时更改。
   
PMBus是一种开放型标准的数字电源管理协议。可通过定义传输和物理接口以及命令语言来实现变换器与其他设备的通信。PMBus的传输层是基于低成本的S us(系统管理总线)的1．1版本，这是个功能强健、符合工业现场应用标准的I C串行总线的版本，具有分组校验和主机通知的功能。PMBus继承了SMBus的SMBALERT信号，该信号可使从属设备中断系统主机对总线的控制，此方式一方面减少了系统主机的负担，使主机在大多数时间内进行闭环控制；另一方面比用专门的微控制器来查询的方式更灵活。此外，PMBus协议将从属设备的默认配置数据保存在永久性存储器内或者在硬件上设置好，在上电的过程中，不需通过总线通信来得到初始配置信息，缩短了启动时间，也减少了一部分总线数据传输。除了SMBus的时钟、数据及中断线之外，PMBus协议还规定了两种与电源转换设备共同使用的硬件信号，一个是与总线发出的命令共同使用的控制信号，用于启动和关闭单个从属设备；另一个是可选的“写保护”信号，用于防止更改从属设备存储器中的数据。与其他总线不同的是PMBus的主控设备不是专门的集成电路，这给进行电源管理的主控设备选型提供了灵活性。当电源系统比较庞大时，可以采用PC机配置相应的数据采集板卡来完成各种管理功能，而对于较小的电源系统则可以是单板上现成的微处理器、一些额外的低成本的微控制器或者是PLD器件中的一些门。在产品开发的不同阶段，可以使用不同的设备作为PMBus的主机。在单板设计阶段，一台便携式电脑可以作为总线主机；而在产品实际应用时，则使用板上主处理器中的一些硬件资源来控制PMBus总线。在开发阶段，可以通过PMBus总线动态修改从属设备中的设定值和配置，对于不同的电源系统，可以借鉴相同的PMBus总线配置，只需修改某些特定数据。最终通过测试的设定值和配置通过写保护功能永久保存在从属设备的存储器之中。图3所示为一个基于PMBus的数字电源管理典型连接结构图。
   
PMBus的通信是按照一个简单的命令集进行的。每个数据包包含一个地址字节、一个命令字节、若干个数据字节，以及一个可选的包检验码字节。图4所示为一个主机到转换器的信息传输。主机使用单独的“开始”和“停止”来表明进程开始和结束。而从属设备则使用单独的位来确认收到的每个字节。与其他总线协议不同的是，PMBus总线不会等待专门的“执行”命令，从属设备在收到“停止”信号后，立即处理并执行命令，符合电源管理的快速性要求。由于在开发之初就考虑到其开放性和超前性，PMBus总线协议支持的指令集可以提供两个命令的扩展，该扩展可以有效地允许双字节命令。一个扩展留给PMBus设备的生产商，另一扩展则由于协议本身的后续升级和修订。实际应用中，PMBus协议简单实用的指令集使得电源管理程序的编写更加快速、简便。负载点转换器的电压时序控制的实现就是很好的例子。上电时序控制对应着有两个PMBus命令，TON—DE—LAY命令设定了转换器等待开始上电的时间，而TON RISE则设定了从零增加到设定输出值的时间。所以，用户可以通过相关软件即可对每个转换器的启动延迟和上升时间进行设定。同样，对于掉电时序控制，也有对应的掉电延迟命令TOFF_DELAY和下降时间TOFF—FALL设定。显而易见，对于整个供电系统的启动和掉电的时序控制通常只需要4个PMBus命令来设定。PMBus已经得到了业界的认可。 [p]

3 数字电源管理技术的展望
   
电源管理是当今热门的电子技术，有关数字电源的PMBus控制协议、单片数字电源管理器和数字电源、分布电源拓扑等新产品、新拓扑和新解决方案等层出不穷，电源管理的市场在快速增长，伴随着的是电源的数字化、小型化、集成化、高效化和智能化。可以预见的是，更高集成度和更多可编程性的电源管理半导体将会不断应用在各种电源系统中。同时，符合PMBus的电源和转换器也会不断地涌现出来。随着半导体器件集成度的提高和数字技术的不断发展，数字化的电源控制与管理必将融合到同一硅片上来，集成了PWM 控制和完善的智能化管理功能的数字电源控制管理芯片必将给工程应用带来极大的便利。