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電源應(yīng)用中的數(shù)字通信

發(fā)布時間:2021-12-20 來源:MPS,Mark Hagen and Oleg Volfson 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】盡管數(shù)字接口日益流行,但電源子系統(tǒng)的數(shù)字接口可以為特定電子應(yīng)用帶來什么好處還未能被人們廣泛了解。本文以適用于各種應(yīng)用的MPS數(shù)字電源解決方案為例,總結(jié)了目前常見的數(shù)字通信物理接口和協(xié)議。

 

數(shù)字通信和控制可以為電源變換子系統(tǒng)及其所在系統(tǒng)帶來很多好處。數(shù)字接口為電源設(shè)計工程師提供了很大的靈活性,它讓工程師可以在系統(tǒng)板組裝完成之后再完善某些參數(shù),例如電壓軌序列、故障保護(hù)閾值和反饋補(bǔ)償?shù)取?/p>

 

將OSI模型用于數(shù)字通信時,它主要涉及兩個部分:執(zhí)行通信的物理層(PHY)以及用于交流信息的協(xié)議或命令集。


1.大多數(shù)電源變換器的物理層(PHY)都采用I2C串行接口或其派生SMBus接口。它允許多個變換器電路與主機(jī)控制器共享一個接口,并用于服務(wù)器和PC中的多個子系統(tǒng)。


2.數(shù)據(jù)鏈路層定義了需要在主機(jī)和電壓變換器電路之間傳遞的信息。其數(shù)據(jù)可以是一組可尋址寄存器,這些寄存器可以為每個IC定義唯一的數(shù)據(jù)位,也可以遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來定義。


(要了解有關(guān)I2C、SMBus和PMBus之間的區(qū)別,請訪問 PMBus官網(wǎng)。)

 

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圖一: I2C/PMBus信號


I2C 接口定義了雙向時鐘信號(SCL)和雙向數(shù)據(jù)信號(SDA)。PMBus基于此又添加了告警信號,以及一組定義好的寄存器/命令來傳遞狀態(tài)信息。兩種標(biāo)準(zhǔn)的時鐘和數(shù)據(jù)信號時序均相同。

 

PMBus標(biāo)準(zhǔn)要求,若要符合規(guī)范,電源設(shè)備必須至少實現(xiàn)一條PMBus命令。大多數(shù)帶PMBus接口的設(shè)備都將PMBus協(xié)議用于常用命令,例如設(shè)置輸出電壓或讀取芯片溫度。但同時,幾乎所有設(shè)備都會配置自己唯一的MFG_SPECIFIC寄存器。此外,由于實際數(shù)值需要編碼為數(shù)字信號才能通過數(shù)字接口通信,PMBus標(biāo)準(zhǔn)還定義了兩種編碼方式:direct(直接)和linear(線性)。在直接模式中,命令中的值即設(shè)備中為寄存器定義的整數(shù)值。

 

Linear(線性)數(shù)據(jù)格式

 

線性數(shù)據(jù)格式采用浮點值表示形式。在實際應(yīng)用中,大多數(shù)設(shè)備都采用Linear11或Linear16這兩種數(shù)據(jù)格式。

 

Linear11數(shù)據(jù)格式

 

這種數(shù)據(jù)格式具有11位尾數(shù)和5位指數(shù)(請參見圖2)。尾數(shù)和指數(shù)都是二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù),這表示它們可以是正數(shù)或者負(fù)數(shù)。

 

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圖2: Linear11數(shù)據(jù)格式


使用公式(1)將實際值轉(zhuǎn)換為Linear11格式:

 

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N可以為正或負(fù), 2N定義了Y尾數(shù)LSB的大小。使用Linear11格式可以表示的最小數(shù)字是±2-16 x 1 = ±15.3e-6,最大數(shù)字為±33.5e6。

 

由于Signed(有符號)11位整數(shù)為-1,024至+1,023,尾數(shù)的大小應(yīng)介于512和1,023之間。由此可以得出一種將實際值編碼為PMBus Linear11格式值的方法。即N從-16開始遞增,并保持尾數(shù)大小在所需范圍之內(nèi)。

 

Linear16數(shù)據(jù)格式

 

Linear16格式與Linear11相似,但這種格式將完整的16位I2C命令包全部用于尾數(shù),而指數(shù)則單獨提供(參見圖3)。例如,MPS提供的MPQ4230 降壓-升壓變換器將這種格式用于VOUT_COMMAND和READ_VOUT命令,以設(shè)置和讀取輸出電壓。 

 

這種數(shù)據(jù)格式具有16位尾數(shù)和5位指數(shù)。尾數(shù)和指數(shù)都是二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù),這代表它們可以是正數(shù)或者負(fù)數(shù)。

 

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圖3: Linear16數(shù)據(jù)格式


使用公式(2)將實際值轉(zhuǎn)換為Linear16格式:

 

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對于5位指數(shù),使用Linear16格式可以表示的最小數(shù)字仍為±2-16 x 1 = ±15.3e-6。但是,尾數(shù)目標(biāo)值現(xiàn)在介于214 和215之間,即介于16384和32767之間。這樣可以為設(shè)置和讀取輸出電壓提供更高的分辨率。表1顯示了VOUT_MODE命令的定義。

 

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表1:VOUT_MODE命令


典型PMBus命令

 

PMBus命令可以設(shè)置變換器的輸出電壓、啟用設(shè)備、確定是否超過告警閾值并報告故障。一些基本的故障也可以通過命令來重置,例如MPS提供的MPM3695-25電源模塊,其STATUS_WORD命令定義如下表所示(請參見表2)。

 

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表2: STATUS_WORD命令(Addr/Command 0x79)


STATUS_WORD是許多IC的常用命令,但生產(chǎn)專用命令則針對給定的設(shè)備唯一,例如MPM3695-25的MFR_CTRL_COMP命令。MPM3695-25的恒定導(dǎo)通時間補(bǔ)償環(huán)路是該芯片獨有的,因此有專門的MFR_CTRL_COMP命令,表3列出了該命令的bit位定義。

 

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表 3: : MRF_CTRL_COMP (Addr/Command 0xD0)


具有數(shù)字接口的變換器存儲器選擇

 

通過數(shù)字總線進(jìn)行通信的變換器在存儲器選擇方面也與其他變換器不同,它有三類存儲器可以選擇:


1.2. 變換器中沒有配備永久存儲器:在這種情況下,配置信息存儲在主機(jī)微控制器(μC)的存儲器中,每次啟動必須重新加載變換器配置。這種方式可以簡化設(shè)計并降低成本,但需要在啟動時為主機(jī)微控制器供電。要啟動變換器,系統(tǒng)需要單獨的偏置變換器用于微控制器,或者數(shù)字變換器中的默認(rèn)寄存器必須與配置值足夠接近。MP8843是一款具有I2C接口的同步降壓變換器,每次啟動都需要對其重新配置。該器件非常適合需要在片上系統(tǒng)(SoC)或類似數(shù)字ASIC中為微控制器內(nèi)核微調(diào)電壓的應(yīng)用。這些應(yīng)用系統(tǒng)的固件包含在閃存中,可以寫入設(shè)備的I2C接口以調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓,并優(yōu)化處理器速度與功耗。例如,MP8843就具有一些獨特的寄存器,因為沒有PMBus開銷而最大程度地降低了成本。


2.4. 一次性可編程(OTP)存儲器:OTP是一種經(jīng)濟(jì)高效且可靠的解決方案,適用于大批量的產(chǎn)品。但是,它要求IC供應(yīng)商為每種應(yīng)用創(chuàng)建唯一的部件編號。例如,MPS的MP8859是一款具有I2C接口和OTP存儲器的4開關(guān)降壓-升壓變換器。它可以設(shè)置輸出電壓、最大電流、開關(guān)頻率和故障恢復(fù)行為,而且提供了圖形用戶界面(GUI)程序來選擇寄存器值,從而優(yōu)化了用戶應(yīng)用。當(dāng)整套完整的寄存器值確定之后,可以使用GUI永久存儲。寫入OTP之后,存儲值將成為寄存器的默認(rèn)啟動值。這些默認(rèn)值在啟動之后仍然可以通過I2C接口更改。在最終產(chǎn)品開發(fā)過程中一旦確定了寄存器值,這些值將在生產(chǎn)過程中寫入變換器的OTP存儲器。通常,MPS會在半導(dǎo)體工廠對IC進(jìn)行測試時即寫入這些值,為用戶省去了一些麻煩。


3.非易失性存儲器(NVM):NVM靈活性更大,但成本也更高。用戶必須了解用于實現(xiàn)NVM的存儲器類型。閃存在微控制器中被廣泛使用,但它在高溫下工作時會迅速降級,這在功率變換器中是個大問題。因此,MPS等公司不會在其產(chǎn)品中使用閃存。


MPQ8645P是一款適用于電信和服務(wù)器應(yīng)用的30A、可并聯(lián)、負(fù)載點(POL)變換器。其寄存器符合PMBus標(biāo)準(zhǔn),而且寄存器值可以多次寫入NVM。這意味著反復(fù)準(zhǔn)備和測試硬件設(shè)備,每次都像新硬件的組裝和生產(chǎn)一樣。在這種情況下,用戶應(yīng)像在批量生產(chǎn)期間一樣,在產(chǎn)品開發(fā)過程中即準(zhǔn)確存儲配置信息。

 

沒有永久存儲器的變換器IC通常無需遵循PMBus的寄存器定義標(biāo)準(zhǔn),因此可以將這些配置寄存器的開銷降至最低。如果只需幾個優(yōu)化的寄存器,那么開發(fā)讀寫這幾個寄存器的固件是可行的。但是,如果要與具備數(shù)十個配置和監(jiān)視寄存器的設(shè)備接口,那開發(fā)固件工作恐怕就讓人吃不消了,因此,讓寄存器定義遵循PMBus標(biāo)準(zhǔn)非常有意義。

 

結(jié)論

 

在電源變換器中添加數(shù)字控制和通信功能,可以簡化系統(tǒng)設(shè)計并提高系統(tǒng)靈活性和可靠性,使設(shè)備更好地集成到現(xiàn)代電子系統(tǒng)中。但是,要充分發(fā)揮其功能優(yōu)勢,設(shè)計工程師需要深入了解這類變換器的不同設(shè)計方法,并熟悉這些設(shè)備的特定術(shù)語。


來源:MPS,作者:Mark Hagen and Oleg Volfson



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