【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(jì)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(shí)，它主要涉及兩個(gè)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(gè)變換器電路與主機(jī)控制器共享一個(gè)接口，并用于服務(wù)器和PC中的多個(gè)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(gè)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(qǐng)?jiān)L問 PMBus官網(wǎng)。)
圖一: I2C/PMBus信號(hào)
I2C 接口定義了雙向時(shí)鐘信號(hào)（SCL）和雙向數(shù)據(jù)信號(hào)（SDA）。PMBus基于此又添加了告警信號(hào)，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(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)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(shí)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(shí)，幾乎所有設(shè)備都會(huì)配置自己唯一的MFG_SPECIFIC寄存器。此外，由于實(shí)際數(shù)值需要編碼為數(shù)字信號(hào)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(diǎn)值表示形式。在實(shí)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(qǐng)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)。
圖2: Linear11數(shù)據(jù)格式
使用公式（1）將實(shí)際值轉(zhuǎn)換為Linear11格式：
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(hào)）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(shí)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(dú)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)。
圖3: Linear16數(shù)據(jù)格式
使用公式（2）將實(shí)際值轉(zhuǎn)換為Linear16格式：
對(duì)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。
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(bào)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(qǐng)參見表2）。
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(duì)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(shí)間補(bǔ)償環(huán)路是該芯片獨(dú)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。
表 3: : MRF_CTRL_COMP (Addr/Command 0xD0)
具有數(shù)字接口的變換器存儲(chǔ)器選擇
通過數(shù)字總線進(jìn)行通信的變換器在存儲(chǔ)器選擇方面也與其他變換器不同，它有三類存儲(chǔ)器可以選擇：
1.2. 變換器中沒有配備永久存儲(chǔ)器：在這種情況下，配置信息存儲(chǔ)在主機(jī)微控制器（μC）的存儲(chǔ)器中，每次啟動(dòng)必須重新加載變換器配置。這種方式可以簡化設(shè)計(jì)并降低成本，但需要在啟動(dòng)時(shí)為主機(jī)微控制器供電。要啟動(dòng)變換器，系統(tǒng)需要單獨(dú)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(dòng)都需要對(duì)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(dú)特的寄存器，因?yàn)闆]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(chǔ)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(hào)。例如，MPS的MP8859是一款具有I2C接口和OTP存儲(chǔ)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(chǔ)。寫入OTP之后，存儲(chǔ)值將成為寄存器的默認(rèn)啟動(dòng)值。這些默認(rèn)值在啟動(dòng)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(chǔ)器。通常，MPS會(huì)在半導(dǎo)體工廠對(duì)IC進(jìn)行測試時(shí)即寫入這些值，為用戶省去了一些麻煩。
3.非易失性存儲(chǔ)器（NVM）：NVM靈活性更大，但成本也更高。用戶必須了解用于實(shí)現(xiàn)NVM的存儲(chǔ)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(shí)會(huì)迅速降級(jí)，這在功率變換器中是個(gè)大問題。因此，MPS等公司不會(huì)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(diǎn)（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(chǔ)配置信息。
沒有永久存儲(chǔ)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(gè)優(yōu)化的寄存器，那么開發(fā)讀寫這幾個(gè)寄存器的固件是可行的。但是，如果要與具備數(shù)十個(gè)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(jì)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(jì)工程師需要深入了解這類變換器的不同設(shè)計(jì)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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