很多數(shù)字電源產(chǎn)品采用了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)PMBus來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以管理并控制多路電源軌結(jié)構(gòu)。但是，很多人并不清楚怎樣應(yīng)用PMBus來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

我打算發(fā)表一些有關(guān)以實(shí)際結(jié)構(gòu)和集成數(shù)字電源管理產(chǎn)品為題的相關(guān)文章。我會(huì)涉及到以下題目：PMBus，使用模型，電源排序，故障處理，工具，嵌入式軟件，結(jié)構(gòu)，器件類(lèi)型，系統(tǒng)調(diào)試。

有很多博客和文章都在簡(jiǎn)要中吹棒數(shù)字電源的優(yōu)點(diǎn)。看過(guò)我文章的讀者都知道，我非常務(wù)實(shí)。在這里更是如此。如果我提到軟件，那就是代碼。如果我提到硬件，那就是原理圖。我的文章如果沒(méi)有達(dá)到您的預(yù)期，請(qǐng)您提出來(lái)。

對(duì)于有些基礎(chǔ)的人，我從簡(jiǎn)要介紹PMBus開(kāi)始，然后是提及工程師們使用的主要應(yīng)用模型。隨后，會(huì)越來(lái)越深入，直到所介紹的實(shí)例足以幫助你們開(kāi)始自己的設(shè)計(jì)。

PMBus

大部分人認(rèn)為PMBus是具有一些額外功能的I2C總線(xiàn)，通常并不完全清楚這些額外的功能是什么。實(shí)際上，很多設(shè)計(jì)人員把PMBus當(dāng)做I2C，沒(méi)有充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。PMBus是SMBus的擴(kuò)展，而后者是I2C的擴(kuò)展。因此，讓我們從I2C開(kāi)始。

I2C (Inter-IC)

I2C不過(guò)是具有一對(duì)信號(hào)的串行總線(xiàn)：CLOCK、DATA。它是雙向的，而且是多主機(jī)。I2C最早出現(xiàn)在1982年，先后有4個(gè)調(diào)整版本。1992年，正式發(fā)布了1.0版。1998年發(fā)布2.0版，這一版本非常明確的宣布：I2C總線(xiàn)已成為事實(shí)上的世界標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已經(jīng)在1000多種不同的IC上實(shí)現(xiàn)，并授權(quán)給50多家公司。但是，目前很多應(yīng)用需要速度更高的總線(xiàn)，電壓更低的供電電源。而I2C總線(xiàn)規(guī)范的更新版滿(mǎn)足了這些要求。

后來(lái)在2007年，3.0版定義了1Mbit/s時(shí)鐘速率。2012年，時(shí)鐘被提高到5Mbit/s。

注釋?zhuān)喝绻皇煜じ弑忍芈实膬?nèi)容，那么，您要小心這一假設(shè)。更高的比特率并不意味著低延時(shí)。為能夠在慢速器件總線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)更高的比特率，在進(jìn)入高速傳送模式之前，必須要在400Kbit/s的較低比特率進(jìn)行授權(quán)。

SMBus(系統(tǒng)管理總線(xiàn))

SMBus 1.1版于1998年制定完成并發(fā)布。1.1節(jié)說(shuō)明了它與I2C的關(guān)系：系統(tǒng)管理總線(xiàn)(SMBus)是一種兩線(xiàn)式接口，與簡(jiǎn)單的系統(tǒng)和電源管理相關(guān)的芯片可通過(guò)該接口與系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行通信。SMBus是基于I2C的工作原理。

SMBus為系統(tǒng)及電源管理關(guān)聯(lián)的任務(wù)提供了一種控制總線(xiàn)。采用SMBus的系統(tǒng)在其自身與器件之間傳遞消息，而不是觸發(fā)專(zhuān)用控制線(xiàn)。取消專(zhuān)用控制線(xiàn)可減少引腳數(shù)目。接收消息確保了未來(lái)的可擴(kuò)展性。

1.3節(jié)闡明了最重要的一點(diǎn)：SMBCLK和SMBDATA引腳類(lèi)似于I2C總線(xiàn)上的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳。SMBus的電特性不同于I2C的電特性。

雖然相似，但并不相同。大致說(shuō)來(lái)，不要過(guò)于想當(dāng)然。應(yīng)仔細(xì)閱讀SMBus規(guī)范。例如，電平就是不同的。

PMBus增添了一些旨在使其更加堅(jiān)固的特性，比如：

• 數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤檢查(PEC)

• 警告(Alert)

• 超時(shí)(Timeout)

PEC用于保證數(shù)據(jù)完整性，Alert負(fù)責(zé)在設(shè)備要求維修時(shí)中斷主機(jī)控制器，而Timeout則可避免總線(xiàn)掛接。它們?cè)诙嘣O(shè)備系統(tǒng)中均非常重要。

SMBus 2.0版于2000年發(fā)布，并增加了更多的特性：

• 主機(jī)通知協(xié)議

• 地址解析協(xié)議

PMBus(電源系統(tǒng)管理協(xié)議)

PMBus 1.0版于2005年發(fā)布，1.2版則于2008年發(fā)布，因此這是一個(gè)相當(dāng)新的協(xié)議。PMBus與SMBus具有相似性，事實(shí)上PMBus采用了部分SMBus規(guī)范作為其基礎(chǔ)。PMBus的傳輸層即為具有擴(kuò)展和例外的SMBus 1.1。

擴(kuò)展：

• 塊寫(xiě)入–塊讀出進(jìn)程調(diào)用

• 主機(jī)通知協(xié)議

• 群組命令協(xié)議

• 擴(kuò)展命令

• 總線(xiàn)速度：400kHz(采用定時(shí)修改)

• 電氣驅(qū)動(dòng)電平

例外：

• 塊寫(xiě)入/讀出(高達(dá)255數(shù)據(jù)字節(jié))

現(xiàn)在，我們給它添加一種用于設(shè)定電壓、電流、定時(shí)和故障管理的命令語(yǔ)言。最后，在該命令語(yǔ)言之外還有應(yīng)用協(xié)議。而讓我們感到疑惑不解的是：工程師們?yōu)槭裁匆m纏于怎樣使用PMBus![!--empirenews.page--]

復(fù)雜性

SMBus 1.1標(biāo)準(zhǔn)的篇幅達(dá)39頁(yè)。PMBus 1.2則為125頁(yè)。而且，制造商們除此之外還添加了他們自己的特殊寄存器和功能性(配有100多頁(yè)的相關(guān)規(guī)范)。那么，如何應(yīng)對(duì)所有這些復(fù)雜性呢?基本上是借助工具和重用。當(dāng)然，還包括相關(guān)的規(guī)范，其可通過(guò)System Management Interface Forum獲得。

使用模型

我將提出兩種重要的使用模型，雖然可能還有其他的使用模型，不過(guò)此二者是我發(fā)現(xiàn)得到大量運(yùn)用的兩種主要模型：

1. 配置(Configure)和部署(Deploy)

2. 監(jiān)視(Monitor)和運(yùn)作(Act)

最重要的PMBus命令集之一用于存儲(chǔ)和恢復(fù)操作存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器之間的設(shè)定值。當(dāng)與用于改變操作存儲(chǔ)器(行為特性)的命令相組合時(shí)，其可支持Configure和Deploy使用模型。

配置(Configure)和部署(Deploy)

大多數(shù)PMBus產(chǎn)品制造商都擁有一種GUI工具，該工具可通過(guò)PMBus和一個(gè)接口轉(zhuǎn)換板與其產(chǎn)品進(jìn)行通信。在多數(shù)場(chǎng)合中，接口轉(zhuǎn)換板通過(guò)USB連接至一部主PC。基本使用模式是在總線(xiàn)上配置PMBus器件的所有寄存器，并將其數(shù)值存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中。這樣，當(dāng)系統(tǒng)通電或復(fù)位時(shí)，所有的器件在啟動(dòng)期間將從非易失性存儲(chǔ)器來(lái)給操作存儲(chǔ)器加載。

這種模型的基本優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)單性。工具能夠通過(guò)數(shù)據(jù)組織、模板和項(xiàng)目重用來(lái)消除PMBus的大部分復(fù)雜性。第二項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是成本較低，因?yàn)椴恍枰捎?ldquo;額外的”器件來(lái)管理總線(xiàn)。

此模型的主要劣勢(shì)是喪失了正常操作期間PMBus的所有功能。在異常情況下(比如：發(fā)生了故障)，所有的器件都必須自主地做出反應(yīng)，但靈活性受到限制，而且缺少協(xié)調(diào)。在復(fù)位時(shí)情況同樣如此。所有的器件均必須自主啟動(dòng)。

讓我們來(lái)研究一下由此強(qiáng)加的某些限制條件。假設(shè)一種電源架構(gòu)具有由一個(gè)IBC(中間總線(xiàn)控制器)運(yùn)作的12軌POL(負(fù)載點(diǎn))轉(zhuǎn)換器。POL1存在OC(過(guò)流)故障，而且故障響應(yīng)是關(guān)斷電源軌。由于總線(xiàn)上沒(méi)有用于對(duì)故障做出反應(yīng)的任何主機(jī)控制器，因此其他的電源軌將繼續(xù)運(yùn)作，除非POL1的OC通過(guò)負(fù)載在另一個(gè)電源軌上引起了某種故障。

為了克服這些限制，許多器件都具有附加的IO引腳，這些引腳允許器件在沒(méi)有PMBus的情況下進(jìn)行相互通信。傳統(tǒng)的方法是在器件之間采用漏極開(kāi)路信號(hào)。通常有3個(gè)引腳：

• SYNC(同步)

• RUN(運(yùn)行)

• GPIO(通用輸入輸出)

SYNC引腳用于在復(fù)位時(shí)建立一個(gè)公共時(shí)基。這提供了用于接通/關(guān)斷事件排序的準(zhǔn)確時(shí)間相關(guān)。RUN引腳可使所有器件利用一個(gè)外部邏輯門(mén)或器件本身實(shí)現(xiàn)同時(shí)復(fù)位。GPIO通常是一個(gè)故障輸出和故障輸入。這允許源自某個(gè)器件的故障傳播至其他器件。這些引腳雖然并非PMBus規(guī)范的一部分，但為了讓Configure和Deploy使用模型作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)工作，它們卻是必不可少的。

監(jiān)視(Monitor)和運(yùn)作(Act)

最靈活的使用模型需要一個(gè)在系統(tǒng)操作期間處于運(yùn)行狀態(tài)的PMBus主機(jī)。由于能夠全面使用完整的命令集，因此系統(tǒng)僅受限于PMBus的速度和您的想象力。

有幾種用于構(gòu)建PMBus主機(jī)的子模型。一個(gè)微處理器或微控制器、FPGA邏輯器件或一個(gè)嵌入在FPGA中的控制器。通常，它是某種類(lèi)型的控制器，即使是內(nèi)嵌于一個(gè)FPGA中。它只是更容易實(shí)現(xiàn)，而且更加靈活。

Alert引腳一般連接至控制器上的一個(gè)中斷引腳。當(dāng)存在某種故障時(shí)，微處理器(μP)通過(guò)以下方式對(duì)中斷做出反應(yīng)：獲得故障器件的地址、通過(guò)PMBus查詢(xún)相關(guān)狀況、并采取措施以校正問(wèn)題或使電源軌斷電。

控制器也用于遙測(cè)。數(shù)據(jù)可以用來(lái)預(yù)測(cè)故障、測(cè)量功耗或調(diào)試罕見(jiàn)的故障。另外，控制器還將在復(fù)位時(shí)設(shè)置所有的電源軌。

該使用模型的終極價(jià)值是靈活性。不過(guò)，必需為此付出代價(jià)：開(kāi)發(fā)時(shí)間/成本和更多的硬件。雖然開(kāi)發(fā)成本能夠借助可重用框架而略有減低，但硬件成本的額外增加卻是無(wú)法避免的。

混合模型

根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，有許多工程師都在使用Configure和Deploy模型，少部分的工程師則采用Monitor和Act模型。當(dāng)采用后者時(shí)，很少是以其純粹的形式來(lái)使用。利用工具來(lái)處理大部分的配置要常見(jiàn)得多，借助的方法是：確保接口轉(zhuǎn)換板與主機(jī)具有兼容性，并且僅將PMBus主機(jī)用于遙測(cè)、高級(jí)故障處理和最終用戶(hù)通知。

另外，這種工作的劃分還可提供針對(duì)策略和安全決定的某種控制。電源工程師能夠通過(guò)一種工具來(lái)控制電源軌電壓、啟動(dòng)定時(shí)和主要的故障響應(yīng)。而利用針對(duì)PMBus主機(jī)所發(fā)出之容許命令的規(guī)則，嵌入式軟件設(shè)計(jì)人員的工作內(nèi)容被限定為一組有助于調(diào)試的安全遙測(cè)功能和異常情況記錄。

最終決定

做出有關(guān)使用模型的決策并不簡(jiǎn)單。通常，直到您設(shè)計(jì)了自己的首個(gè)數(shù)字電源架構(gòu)之后才會(huì)真正了解本應(yīng)當(dāng)怎么做。希望通過(guò)這文章系列可使這些決策變得更加容易，而且您甚至可以在最終設(shè)計(jì)之前進(jìn)行架構(gòu)的原型設(shè)計(jì)(假定擁有我所提供的資源)。如果您有話(huà)題希望在我今后的文章中看到討論，請(qǐng)給我們知道，我們將盡全力對(duì)其作相關(guān)的論述。