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电源应用中的数字通信

Mark Hagen and Oleg Volfson

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尽管数字接口日益流行，但电源子系统的数字接口可以为特定电子应用带来什么好处还未能被人们广泛了解。本文以适用于各种应用的MPS数字电源解决方案为例，总结了目前常见的数字通信物理接口和协议。

数字通信和控制可以为电源变换子系统及其所在系统带来很多好处。数字接口为电源设计工程师提供了很大的灵活性，它让工程师可以在系统板组装完成之后再完善某些参数，例如电压轨序列、故障保护阈值和反馈补偿等。

将OSI模型用于数字通信时，它主要涉及两个部分：执行通信的物理层（PHY）以及用于交流信息的协议或命令集。

  1. 大多数电源变换器的物理层（PHY）都采用I2C串行接口或其派生SMBus接口。它允许多个变换器电路与主机控制器共享一个接口，并用于服务器和PC中的多个子系统。
  2. 数据链路层定义了需要在主机和电压变换器电路之间传递的信息。其数据可以是一组可寻址寄存器，这些寄存器可以为每个IC定义唯一的数据位，也可以遵循行业标准来定义。

(要了解有关I2C、SMBus和PMBus之间的区别，请访问 PMBus官网。)

图一: I2C/PMBus信号

I2C 接口定义了双向时钟信号（SCL）和双向数据信号（SDA）。PMBus基于此又添加了告警信号，以及一组定义好的寄存器/命令来传递状态信息。两种标准的时钟和数据信号时序均相同。

PMBus标准要求，若要符合规范，电源设备必须至少实现一条PMBus命令。大多数带PMBus接口的设备都将PMBus协议用于常用命令，例如设置输出电压或读取芯片温度。但同时，几乎所有设备都会配置自己唯一的MFG_SPECIFIC寄存器。此外，由于实际数值需要编码为数字信号才能通过数字接口通信，PMBus标准还定义了两种编码方式：direct（直接）和linear（线性）。在直接模式中，命令中的值即设备中为寄存器定义的整数值。

Linear（线性）数据格式

线性数据格式采用浮点值表示形式。在实际应用中，大多数设备都采用Linear11或Linear16这两种数据格式。

Linear11数据格式

这种数据格式具有11位尾数和5位指数（请参见图2）。尾数和指数都是二进制补码整数，这表示它们可以是正数或者负数。

图2: Linear11数据格式

使用公式（1）将实际值转换为Linear11格式：


XREAL WORLD=Y∙2N

N可以为正或负， 2N定义了Y尾数LSB的大小。使用Linear11格式可以表示的最小数字是±2-16 x 1 = ±15.3e-6，最大数字为±33.5e6。

由于Signed（有符号）11位整数为-1,024至+1,023，尾数的大小应介于512和1,023之间。由此可以得出一种将实际值编码为PMBus Linear11格式值的方法。即N从-16开始递增，并保持尾数大小在所需范围之内。

Linear16数据格式

Linear16格式与Linear11相似，但这种格式将完整的16位I2C命令包全部用于尾数，而指数则单独提供（参见图3）。例如，MPS提供的MPQ4230 降压-升压变换器将这种格式用于VOUT_COMMAND和READ_VOUT命令，以设置和读取输出电压。

这种数据格式具有16位尾数和5位指数。尾数和指数都是二进制补码整数，这代表它们可以是正数或者负数。

图3: Linear16数据格式

使用公式（2）将实际值转换为Linear16格式：


Xreal world=Y∙2N

对于5位指数，使用Linear16格式可以表示的最小数字仍为±2-16 x 1 = ±15.3e-6。但是，尾数目标值现在介于214 和215之间，即介于16384和32767之间。这样可以为设置和读取输出电压提供更高的分辨率。表1显示了VOUT_MODE命令的定义。

表1：VOUT_MODE命令

典型PMBus命令

PMBus命令可以设置变换器的输出电压、启用设备、确定是否超过告警阈值并报告故障。一些基本的故障也可以通过命令来重置，例如MPS提供的MPM3695-25电源模块，其STATUS_WORD命令定义如下表所示（请参见表2）。


表2: STATUS_WORD命令(Addr/Command 0x79)

STATUS_WORD是许多IC的常用命令，但生产专用命令则针对给定的设备唯一，例如MPM3695-25的MFR_CTRL_COMP命令。MPM3695-25的恒定导通时间补偿环路是该芯片独有的，因此有专门的MFR_CTRL_COMP命令，表3列出了该命令的bit位定义。

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

具有数字接口的变换器存储器选择

通过数字总线进行通信的变换器在存储器选择方面也与其他变换器不同，它有三类存储器可以选择：

  1. 2. 变换器中没有配备永久存储器：在这种情况下，配置信息存储在主机微控制器（µC）的存储器中，每次启动必须重新加载变换器配置。这种方式可以简化设计并降低成本，但需要在启动时为主机微控制器供电。要启动变换器，系统需要单独的偏置变换器用于微控制器，或者数字变换器中的默认寄存器必须与配置值足够接近。MP8843是一款具有I2C接口的同步降压变换器，每次启动都需要对其重新配置。该器件非常适合需要在片上系统（SoC）或类似数字ASIC中为微控制器内核微调电压的应用。这些应用系统的固件包含在闪存中，可以写入设备的I2C接口以调节内核电压，并优化处理器速度与功耗。例如，MP8843就具有一些独特的寄存器，因为没有PMBus开销而最大程度地降低了成本。
  2. 4. 一次性可编程（OTP）存储器：OTP是一种经济高效且可靠的解决方案，适用于大批量的产品。但是，它要求IC供应商为每种应用创建唯一的部件编号。例如，MPS的MP8859是一款具有I2C接口和OTP存储器的4开关降压-升压变换器。它可以设置输出电压、最大电流、开关频率和故障恢复行为，而且提供了图形用户界面（GUI）程序来选择寄存器值，从而优化了用户应用。当整套完整的寄存器值确定之后，可以使用GUI永久存储。写入OTP之后，存储值将成为寄存器的默认启动值。这些默认值在启动之后仍然可以通过I2C接口更改。在最终产品开发过程中一旦确定了寄存器值，这些值将在生产过程中写入变换器的OTP存储器。通常，MPS会在半导体工厂对IC进行测试时即写入这些值，为用户省去了一些麻烦。
  3. 非易失性存储器（NVM）：NVM灵活性更大，但成本也更高。用户必须了解用于实现NVM的存储器类型。闪存在微控制器中被广泛使用，但它在高温下工作时会迅速降级，这在功率变换器中是个大问题。因此，MPS等公司不会在其产品中使用闪存。

MPQ8645P是一款适用于电信和服务器应用的30A、可并联、负载点（POL）变换器。其寄存器符合PMBus标准，而且寄存器值可以多次写入NVM。这意味着反复准备和测试硬件设备，每次都像新硬件的组装和生产一样。在这种情况下，用户应像在批量生产期间一样，在产品开发过程中即准确存储配置信息。

没有永久存储器的变换器IC通常无需遵循PMBus的寄存器定义标准，因此可以将这些配置寄存器的开销降至最低。如果只需几个优化的寄存器，那么开发读写这几个寄存器的固件是可行的。但是，如果要与具备数十个配置和监视寄存器的设备接口，那开发固件工作恐怕就让人吃不消了，因此，让寄存器定义遵循PMBus标准非常有意义。

结论

在电源变换器中添加数字控制和通信功能，可以简化系统设计并提高系统灵活性和可靠性，使设备更好地集成到现代电子系统中。但是，要充分发挥其功能优势，设计工程师需要深入了解这类变换器的不同设计方法，并熟悉这些设备的特定术语。