【導讀】盡管數字接口日益流行，但電源子系統的數字接口可以為特定電子應用帶來(lái)什么好處還未能被人們廣泛了解。本文以適用于各種應用的MPS數字電源解決方案為例，總結了目前常見(jiàn)的數字通信物理接口和協(xié)議。
數字通信和控制可以為電源變換子系統及其所在系統帶來(lái)很多好處。數字接口為電源設計工程師提供了很大的靈活性，它讓工程師可以在系統板組裝完成之后再完善某些參數，例如電壓軌序列、故障保護閾值和反饋補償等。
將OSI模型用于數字通信時(shí)，它主要涉及兩個(gè)部分：執行通信的物理層（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。
2.數據鏈路層定義了需要在主機和電壓變換器電路之間傳遞的信息。其數據可以是一組可尋址寄存器，這些寄存器可以為每個(gè)IC定義唯一的數據位，也可以遵循行業(yè)標準來(lái)定義。
(要了解有關(guān)I2C、SMBus和PMBus之間的區別，請訪(fǎng)問(wèn) PMBus官網(wǎng)。)
圖一: I2C/PMBus信號
I2C 接口定義了雙向時(shí)鐘信號（SCL）和雙向數據信號（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(lái)傳遞狀態(tài)信息。兩種標準的時(shí)鐘和數據信號時(shí)序均相同。
PMBus標準要求，若要符合規范，電源設備必須至少實(shí)現一條PMBus命令。大多數帶PMBus接口的設備都將PMBus協(xié)議用于常用命令，例如設置輸出電壓或讀取芯片溫度。但同時(shí)，幾乎所有設備都會(huì )配置自己唯一的MFG_SPECIFIC寄存器。此外，由于實(shí)際數值需要編碼為數字信號才能通過(guò)數字接口通信，PMBus標準還定義了兩種編碼方式：direct（直接）和linear（線(xiàn)性）。在直接模式中，命令中的值即設備中為寄存器定義的整數值。
Linear（線(xiàn)性）數據格式
線(xiàn)性數據格式采用浮點(diǎn)值表示形式。在實(shí)際應用中，大多數設備都采用Linear11或Linear16這兩種數據格式。
Linear11數據格式
這種數據格式具有11位尾數和5位指數（請參見(jiàn)圖2）。尾數和指數都是二進(jìn)制補碼整數，這表示它們可以是正數或者負數。
圖2: Linear11數據格式
使用公式（1）將實(shí)際值轉換為L(cháng)inear11格式：
N可以為正或負， 2N定義了Y尾數LSB的大小。使用Linear11格式可以表示的最小數字是±2-16 x 1 = ±15.3e-6，最大數字為±33.5e6。
由于Signed（有符號）11位整數為-1,024至+1,023，尾數的大小應介于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(kāi)始遞增，并保持尾數大小在所需范圍之內。
Linear16數據格式
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，而指數則單獨提供（參見(jiàn)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，以設置和讀取輸出電壓。
這種數據格式具有16位尾數和5位指數。尾數和指數都是二進(jìn)制補碼整數，這代表它們可以是正數或者負數。
圖3: Linear16數據格式
使用公式（2）將實(shí)際值轉換為L(cháng)inear16格式：
對于5位指數，使用Linear16格式可以表示的最小數字仍為±2-16 x 1 = ±15.3e-6。但是，尾數目標值現在介于214 和215之間，即介于16384和32767之間。這樣可以為設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命令可以設置變換器的輸出電壓、啟用設備、確定是否超過(guò)告警閾值并報告故障。一些基本的故障也可以通過(guò)命令來(lái)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(jiàn)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(zhuān)用命令則針對給定的設備唯一，例如MPM3695-25的MFR_CTRL_COMP命令。MPM3695-25的恒定導通時(shí)間補償環(huán)路是該芯片獨有的，因此有專(zhuān)門(mén)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)
具有數字接口的變換器存儲器選擇
通過(guò)數字總線(xiàn)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(lèi)存儲器可以選擇：
1.2. 變換器中沒(méi)有配備永久存儲器：在這種情況下，配置信息存儲在主機微控制器（μC）的存儲器中，每次啟動(dòng)必須重新加載變換器配置。這種方式可以簡(jiǎn)化設計并降低成本，但需要在啟動(dòng)時(shí)為主機微控制器供電。要啟動(dòng)變換器，系統需要單獨的偏置變換器用于微控制器，或者數字變換器中的默認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)都需要對其重新配置。該器件非常適合需要在片上系統（SoC）或類(lèi)似數字ASIC中為微控制器內核微調電壓的應用。這些應用系統的固件包含在閃存中，可以寫(xiě)入設備的I2C接口以調節內核電壓，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(méi)有PMBus開(kāi)銷(xiāo)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供應商為每種應用創(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(kāi)關(guān)降壓-升壓變換器。它可以設置輸出電壓、最大電流、開(kāi)關(guān)頻率和故障恢復行為，而且提供了圖形用戶(hù)界面（GUI）程序來(lái)選擇寄存器值，從而優(yōu)化了用戶(hù)應用。當整套完整的寄存器值確定之后，可以使用GUI永久存儲。寫(xiě)入OTP之后，存儲值將成為寄存器的默認啟動(dòng)值。這些默認值在啟動(dòng)之后仍然可以通過(guò)I2C接口更改。在最終產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中一旦確定了寄存器值，這些值將在生產(chǎn)過(guò)程中寫(xiě)入變換器的OTP存儲器。通常，MPS會(huì )在半導體工廠(chǎng)對IC進(jìn)行測試時(shí)即寫(xiě)入這些值，為用戶(hù)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(hù)必須了解用于實(shí)現NVM的存儲器類(lèi)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，這在功率變換器中是個(gè)大問(wèn)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)器應用的30A、可并聯(lián)、負載點(diǎn)（POL）變換器。其寄存器符合PMBus標準，而且寄存器值可以多次寫(xiě)入NVM。這意味著(zhù)反復準備和測試硬件設備，每次都像新硬件的組裝和生產(chǎn)一樣。在這種情況下，用戶(hù)應像在批量生產(chǎn)期間一樣，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中即準確存儲配置信息。
沒(méi)有永久存儲器的變換器IC通常無(wú)需遵循PMBus的寄存器定義標準，因此可以將這些配置寄存器的開(kāi)銷(xiāo)降至最低。如果只需幾個(gè)優(yōu)化的寄存器，那么開(kāi)發(fā)讀寫(xiě)這幾個(gè)寄存器的固件是可行的。但是，如果要與具備數十個(gè)配置和監視寄存器的設備接口，那開(kāi)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標準非常有意義。
結論
在電源變換器中添加數字控制和通信功能，可以簡(jiǎn)化系統設計并提高系統靈活性和可靠性，使設備更好地集成到現代電子系統中。但是，要充分發(fā)揮其功能優(yōu)勢，設計工程師需要深入了解這類(lèi)變換器的不同設計方法，并熟悉這些設備的特定術(shù)語(yǔ)。
來(lái)源：MPS，作者：Mark Hagen and Oleg Volfson
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