|
高效的信息交流需要適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言，這既適用于人與人之間的交流，也適用于系統(tǒng)電源管理資源之間的通信。電子系統(tǒng)通信經(jīng)歷了緩慢而持續(xù)的發(fā)展過程，USB 就是其中的一個(gè)例子。在 USB 之前，系統(tǒng)外設(shè)通過各種接口方法進(jìn)行互連。速度較慢的設(shè)備通常采用可提供 RS-232 的簡(jiǎn)單 UART 連接，而較快設(shè)備的連接則采用并行端口。這些連接既能夠像“平行接口” (Centronics Interface) 一樣簡(jiǎn)單，也可能像連接海量存儲(chǔ)設(shè)備的 SCSI 那樣復(fù)雜。USB 已經(jīng)發(fā)展成為一種高效的通信方法，非常適用于諸如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)這樣較慢速的設(shè)備，以及硬盤存儲(chǔ)與 FLASH 驅(qū)動(dòng)器等快速設(shè)備。另外，還為人機(jī)接口外設(shè) (HID) 開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，而且這種驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用原理已被擴(kuò)展至實(shí)時(shí)物理設(shè)備 (PID)。這種物理層與數(shù)據(jù)交換的組合已經(jīng)為計(jì)算機(jī)與外設(shè)提供了一種“通用語(yǔ)言”。 隨著電源系統(tǒng)的集成度變得越來(lái)越高，并且受其所供電系統(tǒng)的管理，這就要求在它們之間提供一種高效的通信方式。這種通信應(yīng)該像 USB 那樣具有廣泛的適用范圍，并能提供一種適用于各種可用終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。電源通信的發(fā)展已十分成熟，這為制定新的標(biāo)準(zhǔn)解決方案增加了難度。許多 OEM 廠商采用專用的電源系統(tǒng)通信已長(zhǎng)達(dá) 10 年以上，這一遺留問題使推出適用標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間遙遙無(wú)期。 在 1995 年，當(dāng)智能電池系統(tǒng) (SBS) 標(biāo)準(zhǔn)被提出的時(shí)候，情況也是如出一轍。大部分便攜式計(jì)算機(jī)都紛紛開發(fā)了用于管理電池的專有通信系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜程度從簡(jiǎn)單的監(jiān)控到高級(jí)的電池與充電器控制不盡相同。智能電池?cái)?shù)據(jù) (SBD) 規(guī)范、系統(tǒng)管理總線以及智能電池充電器規(guī)范相組合，創(chuàng)造了可實(shí)現(xiàn)完整電池管理的系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，智能電池可以通過 SMBus 與電源(充電器)進(jìn)行通信，并設(shè)置充電電壓及電流工作狀態(tài)，而且通過設(shè)置閾值，還可限制逾界任務(wù) (out-of-bound activity)。這是最早在開放式通信標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)電源管理的系統(tǒng)之一。 電源領(lǐng)域已經(jīng)認(rèn)識(shí)到通過電源系統(tǒng)通信進(jìn)行動(dòng)態(tài)電源管理的益處。為了推動(dòng)數(shù)字控制電源的發(fā)展，用于通信的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言是很自然的“搭配”。Artesyn 技術(shù)公司聯(lián)合了各大電源與半導(dǎo)體廠商，全力開發(fā)電源管理通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該組織于 2005 年 3 月發(fā)布了 PMBus 規(guī)范。PMBus 規(guī)范可為數(shù)據(jù)傳輸、命令與數(shù)據(jù)格式提供開放式標(biāo)準(zhǔn)，從而能夠“模仿”智能電池的標(biāo)準(zhǔn)。PMBus 組織采用 SMBus 規(guī)范作為其數(shù)據(jù)傳輸方式。該通用規(guī)范使智能電池系統(tǒng)與 PMBus 之間息息相關(guān)，因而這些行業(yè)組織聯(lián)合形成了系統(tǒng)管理接口論壇 (SMIF)，網(wǎng)址www.powersig.org。PMBus 小組作為 SMIF 的一部分，負(fù)責(zé)修訂、制訂新規(guī)范以及 PMBus 的推廣。此外，該小組還通過為業(yè)界提供配套支持來(lái)推進(jìn) PMBus 部署。 電源管理總線(PMBus) PMBus的支持原理與 SBS 的類似。兩者都是通過基本命令與數(shù)據(jù)進(jìn)行操作來(lái)管理電源及通信協(xié)議，這樣既簡(jiǎn)單、低價(jià)而且還可靠。與 SBS 一樣，PMBus 規(guī)范也包括兩部分。PMBus 中相對(duì)應(yīng)的部分是，“第一部分——一般要求、傳輸與電氣接口”，以及“第二部分——命令語(yǔ)言”。將該規(guī)范分為兩部分使得其中任一部分的變動(dòng)不會(huì)使兩部分同時(shí)受到影響。 第一部分——一般要求、傳輸與電氣接口 PMBus 的第一部分采用 SMBus1.1 作為基本規(guī)范。SMBus1.1 與 SMBus 規(guī)范最新版 SMBus2.0 之間的主要區(qū)別在于總線地址判優(yōu)。PMBus 的倡導(dǎo)者認(rèn)為此特性不必要，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，每個(gè)電源的地址均表明了其物理位置與系統(tǒng)功能性。地址判優(yōu)會(huì)給 PMBus 解決方案增加復(fù)雜度，而不能帶來(lái)任何實(shí)際的益處。 SMBus 1.1 與 SMBus 2.0 之間的另一區(qū)別在于，SMBus2.0 還包含高功率 DC 規(guī)范。SMBus1.1 限制時(shí)鐘與數(shù)據(jù)上拉到最大值 350uA。在 SMB2.0 中，該限制是在低功率 DC 規(guī)范中描述的。SMB2.0 高功率 DC 規(guī)范允許電流上拉至最大 4mA。在任一種情況下，設(shè)備都必須能在低輸出時(shí)，將時(shí)鐘或者數(shù)據(jù)線拉到 0.4V 以下。雖然在吸收 350uA 的同時(shí)，器件只要能把時(shí)鐘及數(shù)據(jù)線拉到 0.4V 以下即可實(shí)現(xiàn) PMBus 兼容，但是，如果有更強(qiáng)的下拉能力會(huì)更有益處。使用 SMBus2.0 的高功率 DC 規(guī)范可以增強(qiáng)噪聲抗擾度。PMBus 定義了兩種必需的信號(hào)，時(shí)鐘 (SCL) 與數(shù)據(jù) (SDA)。PMBus1.0 允許采用 3 種可選信號(hào)。圖 1 顯示了 PMBus 所需的可選信號(hào)。SMBALERT# 是一種有線信號(hào) (wired-and signal)，任意需要引起 PMBus 主設(shè)備注意的從設(shè)備都可對(duì)其進(jìn)行拉低。當(dāng) SMBALERT# 信號(hào)被拉低，主設(shè)備就在 PMBus 上發(fā)出告警響應(yīng)地址。在傳輸完告警響應(yīng)地址之后，每一告警設(shè)備根據(jù)主設(shè)備的計(jì)時(shí)將它們的設(shè)備地址放在 SDA 上。將地址轉(zhuǎn)移至總線的每個(gè)設(shè)備必須在此處理過程中同時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)線。如果設(shè)備發(fā)送高比特的時(shí)候發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)線低，那么，這就意味著另一設(shè)備也在做出響應(yīng)，并且具有更高的優(yōu)先級(jí)。一旦某設(shè)備成功地將其地址放置在總線上后，該設(shè)備就必須釋放 SMBALERT# 線路。雖然該信號(hào)被列為“可選”，但卻是被建議的。另外，部分 OEM 廠商還要求 PMBus 解決方案的供應(yīng)商提供 SMBALERT# 信號(hào)。 圖1 PMBus信號(hào) 除了 SMBSLERT# 線路之外，還定義了另外兩條可選線路�？蛇x控制信號(hào) (CONTROL) 能夠提供一種快速的方法來(lái)“關(guān)閉”啟用 PMBus 的電源輸出。眾多系統(tǒng) OEM 廠商都會(huì)要求 CONTROL 信號(hào)。可選的寫保護(hù)信號(hào) (WP) 能夠保護(hù)數(shù)據(jù)與程序信息免遭意外修改。WP 信號(hào)被系統(tǒng) OEM 廠商要求的可能性較小。CONGTROL 與 WP 信號(hào)的電壓電平應(yīng)該符合從邏輯電平，并在大多數(shù)情況下與 PMBus 的邏輯電平相同。而且 CONTROL 與 WP 信號(hào)也可以轉(zhuǎn)向一個(gè)以上的從設(shè)備。 在 SMBus1.0 規(guī)范中包含至 SMBus1.1 的擴(kuò)展。作為擴(kuò)展的群組命令協(xié)議 (Group Command Protocol) 使得多個(gè)設(shè)備可根據(jù) STOP 位檢測(cè)保持同步。在圖 2 所示的協(xié)議中，對(duì)每個(gè)從設(shè)備均進(jìn)行了尋址，并向它們發(fā)送了適當(dāng)?shù)拿詈蛿?shù)據(jù)以及可選的數(shù)據(jù)包糾錯(cuò) (PEC) 字節(jié)。然而在該通信未尾沒有發(fā)送 STOP 位，而是在下一個(gè)設(shè)備的地址、命令和數(shù)據(jù)之前發(fā)送中繼 START 位。這一過程持續(xù)一直進(jìn)行，直至所有適用設(shè)備均配置完成。最后,設(shè)備配置數(shù)據(jù)包末尾發(fā)送一個(gè) STOP 位。建議僅為群組中的每個(gè)地址發(fā)送每群組數(shù)據(jù)包一條命令，如圖 2 所示。一檢測(cè)到 STOP 位，所有設(shè)備均聽從于所發(fā)送命令。在這種情況下，多個(gè)設(shè)備可以在 PMBus 上實(shí)現(xiàn)同步。另一實(shí)現(xiàn)同步的方法如前文所述,需使用 CONTROL 線路。 圖2 PMBus群組命令 PMBus 第一部分執(zhí)行中的問題 在設(shè)計(jì) I2C 總線時(shí)，一些工程師一直有不愉快的經(jīng)歷。遵循 I2C 規(guī)范非常重要，尤其是時(shí)序要求部分。一個(gè)常見的問題是，檢測(cè)虛假的或意外的 START 或 STOP 位。當(dāng)檢測(cè)到 START 位時(shí)，從設(shè)備就開始尋找設(shè)備地址。如果這是一個(gè)虛假的 START 位，設(shè)備就會(huì)將總線上的數(shù)據(jù)解釋成設(shè)備地址并做出相應(yīng)的響應(yīng)。檢測(cè)到虛假 START 位是很嚴(yán)重的錯(cuò)誤，它會(huì)導(dǎo)致多個(gè)從設(shè)備同時(shí)訪問總線。檢測(cè)到意外 STOP 位會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過早地終止。如果數(shù)據(jù)存在微小上升或者保持時(shí)間不夠，這兩種問題都有可能發(fā)生。圖 3 顯示了這些問題需要注意的方面。如果總線電容比建議值高，上述問題就可能會(huì)發(fā)生。采用通用 I/O 引腳的軟件控制方法來(lái)實(shí)施“bit-banged”解決方案時(shí)，也會(huì)造成這些問題。 圖3 PMBus轉(zhuǎn)變時(shí)序 規(guī)則很簡(jiǎn)單：只要在改變數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)遠(yuǎn)離時(shí)鐘沿。在設(shè)計(jì)過程中，必須檢查每一個(gè) PMBus 設(shè)備的時(shí)鐘時(shí)序與數(shù)據(jù)引腳。最好能對(duì) PMBus 系統(tǒng)及其所有可能的 PMBus 設(shè)備進(jìn)行在線測(cè)試。 總線噪聲可能會(huì)導(dǎo)致意外的 START 或者 STOP 位錯(cuò)誤檢測(cè)以及錯(cuò)誤的位值。電源可能會(huì)使環(huán)境噪聲很大。各種器件之間的接地升高 (ground elevation) 是導(dǎo)致問題的噪聲類型之一。信號(hào)低電平的參數(shù)是最高 0.8V ，而信號(hào)高電平的參數(shù)是最低 2.1V。如前文提及，PMBus 器件必須能把線拉到 0.4V 以下。如果接地升高與上拉電流導(dǎo)致目標(biāo)低信號(hào)在器件引腳處高于 0.8V，那么數(shù)據(jù)就被毀壞了。接地升高這個(gè)問題可能在檢查系統(tǒng)的時(shí)候不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，尤其是系統(tǒng)負(fù)載輕的時(shí)候。 PMBus只要符合規(guī)范,是一種可靠的通信協(xié)議。出現(xiàn)問題主要是在轉(zhuǎn)換過程中，無(wú)論是時(shí)鐘還是數(shù)據(jù)。所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須測(cè)試這些地方。像光耦合器與光隔離器這樣的器件可能會(huì)增加轉(zhuǎn)換的次數(shù)，由于器件引腳不符合規(guī)范，轉(zhuǎn)換次數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致通信錯(cuò)誤。 圖4 PMBus電壓調(diào)節(jié)相關(guān)命令 第二部分-命令語(yǔ)言 PMBus 的第二部分定義了命令語(yǔ)言。這種語(yǔ)言包括特定的操作代碼，以支持啟用 PMBus 電源系統(tǒng)的制造與運(yùn)行時(shí)管理。其中共有 100 多條基本命令代碼，同時(shí)還為各特定廠商和用戶的命令預(yù)留了代碼。此外，還為基本命令的未來(lái)拓展預(yù)留了命令代碼空間。大多數(shù) PMBus 設(shè)備不太可能僅執(zhí)行所有的 PMBus命令。PMBus1.0 規(guī)范要求，符合 PMBus 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備至少要執(zhí)行一條非廠商命令。此外，該規(guī)范還要求采用基本命令代碼的 PMBus 設(shè)備執(zhí)行PMBus規(guī)范所描述的命令，才能達(dá)到 PMBus 的標(biāo)準(zhǔn)。 為了能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的 PMBus 設(shè)備，用于通知 PMBus 主機(jī)不支持某命令的標(biāo)準(zhǔn)要求非常靈活。首先，這些設(shè)備要能夠僅 NAK 這條命令代碼，這在最大程度上為 PMBus 主機(jī)減輕了負(fù)擔(dān)。PMBus的從設(shè)備也可 NAK 后續(xù)的數(shù)據(jù)字節(jié)，這最好盡可能早地完成。另一種辦法是 ACK 命令和數(shù)據(jù)，但要向主機(jī)發(fā)出故障告警。然后，主機(jī)讀取 STATUS_BYTE 以確定是否出現(xiàn)支持問題。最基本的問題是 NAK 可能意味著發(fā)生了幾種不同問題的其中之一，這就好比“我聽不到你說話”、“我無(wú)法給予支持”或者“我沒有明白你的意思”。因而當(dāng)使用 NAK 時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)模棱兩可的情況。 PMBus 規(guī)范至少以兩種格式支持工程數(shù)值。我們將格式定義為文字格式和直接格式 (literal and direct)。文字格式以工程單位如伏特、安培、毫米或者 ?C 等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種格式在系統(tǒng)側(cè)最省力，因?yàn)檫@種數(shù)值不需要任何額外的解釋信息。然而，這會(huì)增加從設(shè)備的復(fù)雜程度，因?yàn)樗仨殞?nèi)部數(shù)值轉(zhuǎn)換成工程單位。 直接方法會(huì)加重系統(tǒng)側(cè)負(fù)擔(dān)，因?yàn)樗枰獢?shù)據(jù)交換。要使用這種方法，主機(jī)必須具有將主機(jī)單位轉(zhuǎn)換成內(nèi)部從設(shè)備單位的相關(guān)信息。所有往返于從設(shè)備的通信都位于從設(shè)備的內(nèi)部單位中，這簡(jiǎn)化了從設(shè)備的計(jì)算要求，但卻增加了主機(jī)側(cè)的復(fù)雜程度。其中，Y是工程單位值；X是從設(shè)備的內(nèi)部單位,兩字節(jié)帶符號(hào)整數(shù)；m是斜率，兩字節(jié)帶符號(hào)整數(shù)；b是截距,兩字節(jié)帶符號(hào)整數(shù)；R是指數(shù),兩字節(jié)帶符號(hào)整數(shù)。三種格式可支持輸出電壓：文字格式、直接格式和VID格式。由于受 PMBus 通信帶寬的限制，VID 調(diào)節(jié)不能滿足動(dòng)態(tài)處理器電源所需的計(jì)時(shí)要求。然而，VID 是一種控制電壓輸出的簡(jiǎn)便方法，因?yàn)橹鲝脑O(shè)備都不需要很高的復(fù)雜度。 對(duì)于電源輸出與限制，PMBus 命令語(yǔ)言支持各種級(jí)別的制造和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。輸出電壓就是一個(gè)與支持級(jí)別相關(guān)的實(shí)例，在 PMBus 規(guī)范的第 8、9 和 13 章節(jié)中涉及到了這些內(nèi)容。主機(jī)可設(shè)置 VOUT_MODE 來(lái)配置輸出電壓格式。此命令僅在選擇新模式或者初始化設(shè)置時(shí)才會(huì)用到。然后，主機(jī)可以使用 VOUT_COMMAND、VOUT_MARGIN_HIGH 或 VOUT_MARGIN_LOW 來(lái)設(shè)置輸出電壓，這要根據(jù) CONTROL 信號(hào)或 OPERATION 命令的配置而定。為了校準(zhǔn)模塊和系統(tǒng)以精確設(shè)置輸出電壓，要在這些運(yùn)行命令之前采用各種其他命令。這些模塊命令是： VOUT_CAL：模塊或設(shè)備制造商失調(diào)校正 VOUT_TRIM：系統(tǒng)內(nèi)失調(diào)校正 VOUT_SCALE_LOOP：針對(duì)環(huán)路控制的分壓器比例 VOUT_SCALE_MONITOR：為電壓監(jiān)控的分隔比例值 VOUT_DROOP：制造商或系統(tǒng)自適應(yīng)電流校正 圖 4 顯示了如何在轉(zhuǎn)換 VOUT 輸出 OPERATION 命令時(shí)，使用這些命令以調(diào)節(jié)輸出電壓。模塊命令將所請(qǐng)求的電壓轉(zhuǎn)換成內(nèi)部值，以供隨后調(diào)節(jié)輸出電壓之用。圖 4 中的灰色方框在操作系統(tǒng)運(yùn)行期間通常保持不變�？稍� PMBus 的規(guī)范中找到對(duì)這一功能性的詳細(xì)描述。 結(jié)語(yǔ) [table][/table] 電源通信多年以來(lái)一直是高端系統(tǒng)的重要組成部分。隨著數(shù)控電源的出現(xiàn)，將電源通信擴(kuò)展到了更為廣泛的應(yīng)用范圍。電源通信需要開放式的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣，系統(tǒng)側(cè)軟件的開發(fā)就不會(huì)因各種不同的命令語(yǔ)言和協(xié)議而負(fù)擔(dān)沉重。 PMBus 規(guī)范為解決電源通信的問題提供了功能強(qiáng)大的靈活命令語(yǔ)言，并為在行業(yè)內(nèi)的廣泛普及提供了開放式標(biāo)準(zhǔn)。在根據(jù)規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況下，PMBus傳輸層為本地級(jí)別的可靠通信提供了適當(dāng)?shù)囊?guī)范。一旦通信發(fā)生故障，就可以用 PEC 來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)。 一般的系統(tǒng)可能不執(zhí)行所有的 PMBus 命令語(yǔ)言指令。然而，規(guī)范中規(guī)定的方法有助于主機(jī)確定實(shí)施級(jí)別。最后，系統(tǒng) OEM 廠商可能為大多數(shù)解決方案創(chuàng)建其所需標(biāo)準(zhǔn)的 PMBus 命令子集。這一發(fā)展過程與智能電池系統(tǒng)在初始幾年間所經(jīng)歷的情況相同。有了電源通信的開放式標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字電源管理將快速向更廣泛的應(yīng)用擴(kuò)展。 |
