采用PMBus的数字电源控制实现设备互操作性

  数字电源技术的采用几乎是普遍的,但实现不同制造商的设备之间的真正互操作性以实现产品的多源化仍然是难以捉摸的。这种具有多个数字控制DC/DC转换器模块源的能力对于电信,数据通信和数据中心应用系统的设计人员来说至关重要,因为效率和设计寿命都是重要的要求。

  基于数字电源在PMBus及其SMBus通信结构上,设计人员可以利用基于软件的功率控制来实现高水平的整体系统效率。但是PMBus并不够深入。它已经像现代电力(AMP)集团的建筑师那样努力实现一定程度的设备互操作性,这将允许来自一家公司的转换器被视为来自另一家公司的第二来源。这确保了供应链的连续性,在现场快速更换产品,并为设计寿命提供必要的保证。

  本文将在介绍数字控制DC/DC转换器之前快速了解PMBus以及如何使用它。最后将介绍可互操作的器件以及多源DC/DC转换器的后续步骤。

  由数字电源开放标准联盟定义(DOSA),PMBus正是它的目标:一种灵活,强大的数字电源系统管理工具,提供通过数字通信总线与电源转换器通信的标准方法。它支持嵌入式和分立式转换器,以及完整和购买的转换器。它具有几乎所有用户所需的高级功能,同时还包括用于控制成本的面向应用的功能集。

  PMBus是系统管理总线(SMBus)的一种变体,简单,单一 - 结束,双线 C,但具有更明确的电压电平和时序,以及时钟,数据和指令。

  规范有两部分:第1部分是传输,它处理寻址和硬连线信号,例如CONTROL信号(开/关)。第二部分是命令语言,包括配置,控制,状态监控,故障管理和信息存储。

  虽然DOSA喜欢SMBus及其I 2 C根,但它增加了要解决的功能我 2 C的缺点。例如,为了防止从设备挂起总线,PMBus超时强制设备重置。要通过轮询检索设备信息,PMBus SMBALERT#行充当中断,而Automatic Bitwise提供同时请求的仲裁。 PMBus还定义了容错,最大总线 pF)以及一条总线个设备地址可用。

  也就是说,并非所有PMBus设备都支持所有命令:支持基于应用程序和价格点。板块 模块 PMBus设备制造商有32个命令代码,用于支持用户库存和配置数据,例如数字控制回路系数。然后,有45个命令代码保留给PMBus设备制造商,以实现特定于制造商的命令。这为制造商之间的差异打开了大门,并且缺乏关于设备之间命令级互操作性的不确定性和模糊性。

  通常,监控的参数包括输入和输出电压和电流,保持电容电压,温度(最多3个传感器),风扇速度,占空比和开关频率。

  内置保护功能in,例如数据包错误检查以防止损坏的传输,以及写保护引脚和WRITE_PROTECT命令,以防止不必要或无意的数据更改(图1)。

  最新版本PMBus 1.3带来了许多一般性的改进。其中主要是自适应电压调节(AVS)。这使您可以静态和动态地控制处理器电压。该集团还增加了高速通信以减少延迟。

  PMBus被IC和电源制造商广泛采用,并在缩短产品上市时间,提高互操作性和降低复杂性方面做了大量工作。然而,三家公司:Murata,爱立信电源模块和CUI,Inc。得出的结论是,它没有深入到各种物理和硬件方面,无法为数字电源组件(如DC/DC转换器)提供多源和标准编程接口。 。

  随着IP流量的增加,数字控制DC/DC转换器和负载点的应用越来越多(PoL) )用于电信,数据通信和数据中心的高端处理器的监管机构。这意味着您需要确保关键的高效功率组件具有多个来源,以确保通过供应链稳定性实现设计连续性。从本质上讲,如果一个部件发生故障或公司停止支持该部件,您必须能够将一个公司的高效部件与另一个公司的相似或更好的部件交换。

  这是形成该部件背后的推动力。村田,爱立信和CUI的现代电力(AMP)集团的建筑师。他们的目标包括为其产品建立通用的机械和电气规范,监控,控制和通信功能的标准化,以及为每个公司的产品之间的即插即用互操作性创建通用配置文件。

  前两组标准:数字负载点和高级总线月公布,并且每个标准下都定义了越来越多的标准(图2)。每个组中的设备具有匹配的功能集和兼容的配置文件。

  图2:截至2016年12月,AMP集团已定义了两个主要标准组,其中共有34个产品按10个标准分类。 (来源:AMP Group)

  电信交换中心或视频服务器的高端处理器内核可能需要瞬时PoL电流至150 A或更高,同时在1 V或更低的电压下工作。这些是极端情况,但随着处理和数据要求的增加而变得越来越普遍。如果你是一个优秀的电源设计师,你很可能会设计一个坚固的分立电源,在5或10层印刷电路板上提供6 A电流。然而,能够满足布局,抗噪声和热管理要求的经验丰富的电源设计人员正变得越来越少,同时,电流也在不断增加,20层印刷电路板正变得越来越普遍。

  图3:通过连接DDC和SYNC引脚,CUI的NDM3Z-90 PoL转换器可以并联模式用于电流共享。最多可以并联四个设备。 (图片来源:CUI,Inc。)

  为了帮助快速补偿瞬态负载变化,NDM3Z-90配备了自适应算法和逐周期充电管理。我们稍后会详细讨论这些内容。

  数字电源模块使用配置文件来设置功能和性能参数,而NDM3Z-90也不例外。标准的宽范围配置旨在满足大多数应用需求,因此现货供应,您可以采用默认配置,并且很可能满足您的输入电压,输出电压和负载要求。但是,如果您想实现当前共享等功能,则需要使用PMBus接口来调整配置文件,该文件存储在非易失性存储器(NVM)中。

  此可配置性说明数字电源的优势在于它与操作系统紧密配合,提供从开发到生产和现场的灵活性。

  NVM本身实际上分为两部分:默认NVM和用户NVM。默认值预先加载了CUI出厂默认值并受写保护。如果您需要重置或不熟悉数字电源配置文件,这为学习提供了一些空间。可以使用以下命令恢复默认值: RESTORE_DEFAULT_ALL 。

  USER NVM也加载了出厂默认值,但可通过PMBus接口进行写入和自定义。 STORE_USER_ALL命令将更改的参数存储到User NVM。

  该模块与PMBus Ver兼容。 1.2,根据SMBus规范,您需要为SCL,SDA和SLRT引脚使用无源上拉电阻。 SLRT用于监控故障。为保证上升时间,使用以下公式选择上拉电阻:

  其中T是上升时间,Rp是上拉电阻值和Cp是总线加载。允许的最大总线 pF。您应该将上拉电阻连接到2.5至5.2 V外部电源,但请注意,此电源需要在上电之前或上电期间存在。如果不可能,您可以使用分压器而不是外部电源,但请注意,公式中的电阻对应于形成分压器的电阻的并联连接。

  要设置PMBus地址,需要在SA和PREF引脚之间连接1%容差电阻(图4)。

  图4:PMBus模块的地址通过SA和PREF引脚之间的1%容差电阻在硬件中设置。 (图像来源:CUI Inc。)

  数字电源和电源控制的一个重要启用功能是故障监控,您可以使用NDM3Z上的SLRT引脚实现 - 90。当预先配置的故障或警告条件发生时,引脚将置为低电平(图5)。

  图5:响应SLRT信号,您可以读取用于查明发生了什么故障或警告情况的状态命令数。 (图像来源:CUI,Inc。)

  SLRT将保持低电平,直到CLEAR_FAULTS命令清除故障和/或警告,或直到输出电压重新启用为止。您可以使用命令MFR_SMBALERT_MASK屏蔽哪些故障条件不应断言SLRT引脚。

  转换器中的闭环反馈可补偿输出电流的突然变化或输入电压和环路应与输出滤波器匹配。虽然数字控制的优势在于可以在不改变元件的情况下改变环路参数,但由于印刷电路板中的寄生阻抗以及滤波器元件本身引入的伪像,对输出滤波器的优化仍然很困难。

  为了帮助您解决这个问题,NDM3Z-90使用动态环路补偿(DLC)。这使用算法通过注入已知的激励信号,测量输出并相应地进行补偿来识别任何输出滤波器的特性。

  NDM3Z-90具有经典的保护机制,例如过压和欠压保护,过流和欠流保护,以及遥感。除了并联运行电流共享外,它还具有预偏置启动功能,电压跟踪,输出电压排序和数字直流总线(DDC)。

  DDC特别有趣,因为它允许产品之间的通信。例如,如果设置广播控制,则DDC可用于向组中的其他设备广播输出电压启用或输出电压电平设置。当配置的设备收到PMBus OPERATION命令或VOUT_COMMAND时,它将广播它。顺便提一下,您可以使用PMBus命令配置广播控制:DDC_GROUP。

  NDM3Z-90通过引脚到电路板的传导进行冷却,以及通过对流。但是,过温保护(OTP)允许您设置阈值并设置转换器的响应方式。例如,它可以通过完全关闭来响应,直到PMBus命令清除故障CLEAR_FAULTS。

  或者,您可以将其设置为在温度高于警告阈值时关闭并自动打开当温度再次下降。这是默认设置,可以使用PMBus命令轻松更改。

  从图2中可以看出,并非每个转换器都有来自AMP的相应设备小组成员。在NDM3Z-90的情况下,其匹配是爱立信BMR465。然而,村田制作所的OKDY-T/25可与爱立信的BMR463和CUI的NDM2Z-25互操作。

  PMBus的数字电源控制帮助设计人员开发灵活,适应性强的系统高效且具有成本效益。通过与AMP等更深入的兼容性和设备互操作性,人们也可以对至少其他两家公司的设计和供应链连续性充满信心。这一点至关重要,因为设计迅速发展并成为电信,数据通信,数据中心和物联网基础设施的关键元素。

  展望未来,AMP集团继续致力于设计师可用于编程任何AMP的单一GUI兼容设备,设置下一阶段的设计连续性和简化。它还在考虑满足数据中心应用54到1 VDC转换的开发需求所需的内容。

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