【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，總結了目前常見的數字通信物理接口和協議。
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，它主要涉及兩個部分：執行通信的物理層（PHY）以及用于交流信息的協議或命令集。
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。它允許多個變換器電路與主機控制器共享一個接口，并用于服務器和PC中的多個子系統。
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IC定義唯一的數據位，也可以遵循行業標準來定義。
(要了解有關I2C、SMBus和PMBus之間的區別，請訪問 PMBus官網。)
圖一: I2C/PMBus信號
I2C 接口定義了雙向時鐘信號（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/命令來傳遞狀態信息。兩種標準的時鐘和數據信號時序均相同。
PMBus標準要求，若要符合規范，電源設備必須至少實現一條PMBus命令。大多數帶PMBus接口的設備都將PMBus協議用于常用命令，例如設置輸出電壓或讀取芯片溫度。但同時，幾乎所有設備都會配置自己唯一的MFG_SPECIFIC寄存器。此外，由于實際數值需要編碼為數字信號才能通過數字接口通信，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（線性）數據格式
線性數據格式采用浮點值表示形式。在實際應用中，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（請參見圖2）。尾數和指數都是二進制補碼整數，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）將實際值轉換為Linear11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）將實際值轉換為Linear16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、確定是否超過告警閾值并報告故障。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，但生產專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的恒定導通時間補償環路是該芯片獨有的，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)
具有數字接口的變換器存儲器選擇
通過數字總線進行通信的變換器在存儲器選擇方面也與其他變換器不同，它有三類存儲器可以選擇：
1.2. 變換器中沒有配備永久存儲器：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，每次啟動必須重新加載變換器配置。這種方式可以簡化設計并降低成本，但需要在啟動時為主機微控制器供電。要啟動變換器，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，可以寫入設備的I2C接口以調節內核電壓，并優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）存儲器：OTP是一種經濟高效且可靠的解決方案，適用于大批量的產品。但是，它要求IC供應商為每種應用創建唯一的部件編號。例如，MPS的MP8859是一款具有I2C接口和OTP存儲器的4開關降壓-升壓變換器。它可以設置輸出電壓、最大電流、開關頻率和故障恢復行為，而且提供了圖形用戶界面（GUI）程序來選擇寄存器值，從而優化了用戶應用。當整套完整的寄存器值確定之后，可以使用GUI永久存儲。寫入OTP之后，存儲值將成為寄存器的默認啟動值。這些默認值在啟動之后仍然可以通過I2C接口更改。在最終產品開發過程中一旦確定了寄存器值，這些值將在生產過程中寫入變換器的OTP存儲器。通常，MPS會在半導體工廠對IC進行測試時即寫入這些值，為用戶省去了一些麻煩。
3.非易失性存儲器（NVM）：NVM靈活性更大，但成本也更高。用戶必須了解用于實現NVM的存儲器類型。閃存在微控制器中被廣泛使用，但它在高溫下工作時會迅速降級，這在功率變換器中是個大問題。因此，MPS等公司不會在其產品中使用閃存。
MPQ8645P是一款適用于電信和服務器應用的30A、可并聯、負載點（POL）變換器。其寄存器符合PMBus標準，而且寄存器值可以多次寫入NVM。這意味著反復準備和測試硬件設備，每次都像新硬件的組裝和生產一樣。在這種情況下，用戶應像在批量生產期間一樣，在產品開發過程中即準確存儲配置信息。
沒有永久存儲器的變換器IC通常無需遵循PMBus的寄存器定義標準，因此可以將這些配置寄存器的開銷降至最低。如果只需幾個優化的寄存器，那么開發讀寫這幾個寄存器的固件是可行的。但是，如果要與具備數十個配置和監視寄存器的設備接口，那開發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，要充分發揮其功能優勢，設計工程師需要深入了解這類變換器的不同設計方法，并熟悉這些設備的特定術語。
來源：MPS，作者：Mark Hagen and Oleg Volfson
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