干货 | 数字电源浅析之二：数字通信协议

2020-11-29

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数字电源通过SMBus、PMBus和AVSBus（PMBus协议的子集，用于实现自适应电压缩放）相互通信。使用支持SMBus和PMBus的设备进行功率转换提供了传统模拟电源系统无法实现的灵活性和控制。PMBus及其相关标准由System Management Interface Forum（SMIF）开发和维护。

PMBus已开发维护多年，SMIF最近庆祝了其15周年生日。2014年3月，AVSBus作为PMBus标准第1.3版的一部分发布。PMBus规范工作组目前正在对PMBus 1.3进行第二次修订。最近的版本将是PMBus 1.4，以消除意义不明确之处并向现有命令集添加一些次要功能。目前正在最后确定。

AVSBus是PMBus的一个子集，用于为FPGA、ASIC、处理器和其他大型数字IC提供自适应电压缩放。（图片：SMIF）

一项更雄心勃勃的工作也在进行中，PMBus和AVSBus都将升级至2.0，这将在PMBus/AVSBus命令集和SMBus物理层和传输层之间提供一个明确的分离。将使PMBus在未来更容易采用附加的物理层和传输层。同时为了提高数字电力通信领域的安全性，正在考虑进行更多的变更。

PMBus应用程序概要工作组（PMBus Application Profile Work Group）专注于以下几个领域：

扩展现有点对点AVSBus体系结构的行为，允许总线上有多个从设备，并进行相关的命令和监视更改。

为工业、医疗、通信和计算市场的前端电源定义PMBus应用程序配置文件。该规范将包括交流输入，48V输入，高压直流输入。

定义通用（或中性）文件格式的特性，用于在新制造的线路板上配置来自多供应商的PMBus器件。

物理总线实现统一（物理总线实现）。这将在即将到来的PMBus 2.0中得到支持。SMBus一直是PMBus的默认PHY，但有些已经实现了其他PHY，以便在较长距离上传输PMBus命令（ENET、CAN、RS485等）。这项工作将创建一种标准方法来支持PMBus而不是通过其他PHY实现。

PMBus协议目前包括大约200个命令，这些命令可以分类如下：

配置

输出电压

工作频率

OVT/OCT/OTP阈值

电源“良好”窗口

故障处理方式

软启动模式

同步

以及其他

控制

启用/禁用

输出电压

工作频率

相位节流

保证金

以及其他

监控

输入和输出电压

输入和输出电流

占空比

温度

以及其他

PMBus性能验证

作为产品验证的一部分，验证产品是否符合协议规范，以确保产品的互操作性非常重要。Soliton和Cadence的产品提供了两个验证PMBus性能的方法示例。

Soliton公司的PMBus从机验证套件是一个现成的验证工具，使用NI的PXI平台，帮助验证设备是否符合PMBus协议的时序和电气规范。该工具还可以验证设备对各种PMBus故障和异常的耐受性和恢复能力，并提供一套全面的报告。

Soliton的PMBus从机验证套件基于NI的PXI平台（图片：Soliton）

PMBus验证套件包括：

NI PXIe 657x 带PXIe机箱的数字Pattern 生成子卡

Soliton PVS插入板

示波器：用于进行电压测量

与Windows操作系统兼容的Soliton PMBus从机验证套件软件

PMBus的Cadence验证IP（VIP）结合了最新的协议更新，提供了完整的总线功能模型（BFM）、集成的自动协议检查、覆盖模型和合规测试。PMBus的VIP设计用于在IP、片上系统（SoC）和系统级的测试台上轻松集成。它有助于减少测试时间，加快验证结果，并确保最终产品质量。PMBus的VIP运行在所有主要的模拟器上，支持SystemVerilog验证语言和相关方法，包括通用验证方法（UVM）和开放验证方法（OVM）。

PMBus的VIP支持最新版本的PMBus 1.3.1版：

电力系统管理协议规范第I部分——一般要求、传输和电气接口

电力系统管理协议规范第二部分-命令语言

SMBus不完全是I²C

虽然SMBus是从I²C派生的，但在电压、电流、定时、协议和操作模式方面，这两种规格之间存在着一些显著差异。

I²C规范规定输入电平为电源电压VDD的30%和70%，电压VDD可能为5V、3.3V或其他值。SMBus定义总线输入电平与VDD无关，而是将其定义为固定在0.8V至2.1V，SMBus 2.0支持3V至5V的VDD，SMBus 3.0支持1.8V至5V的VDD。

SMBus 2.0定义了一个“高功率”类，其中包括一个4mA接收器电流，不能由I²C芯片驱动。I²C总线额定值为3mA。如果上拉电阻电流为3mA，SMBus“高功率”设备和I²C总线设备将一起工作。SMBus“低功耗”类额定为350μA。

SMBus时钟定义为10-100 kHz，而I²C以0kHz开始，根据模式扩展至100kHz、400kHz、1MHz或3MHz。这意味着，运行在10kHz以下的I²C总线将不符合SMBus的要求，因为SMBus设备可能超时。当然这因制造商而异，并且已经有SMBus器件支持较低的频率。SMBus 3.0增加400kHz和1MHz总线速度。

除了I²C规范中的最小总线操作频率外，SMBus规范还限制了主设备在消息的每个字节内的最低延迟量(tLOW:MEXT). 从设备也有类似限制(tLOW:SEXT).

对总线操作的另一个SMBus限制是超时TTIMOUT，在此之后，总线被假定挂起，连接到总线的所有设备必须重置其I/O接口并准备接收启动条件。

AVSBus是PMBus的专用扩展

自适应电压标度（AVS）是一种闭环动态功率最小化技术。AVS控制允许根据瞬时工作负载和单个IC参数的需要，连续调整提供给IC的电压，自适应电压缩放可使功耗降低60%以上。

使用自适应电压技术从而节约能源（图：TI）

AVSBus最初是在TI开发的，它是一种实现动态电压和频率标度（DVFS）的手段。TI向SMIF提供了AVSBus技术。在SMIF PMBus规范工作组进一步开发后，AVSBus于2014年3月作为PMBus 1.3版第三部分发布。

SMBus 3.0的1MHz最大总线速度不足以实现ASIC和FPGA等大型数字IC的自适应电压缩放。PMBus 1.3标准使用1MHz最大总线速度需要35μs才能发出电压命令，速度太慢，无法用于满足当今FPGA和ASIC迅速响应的要求。AVSbus通过两种方式加速通信：将最大总线速度推高至50MHz，并使用固定的32位帧。因此，AVSBus可以在640ns内发出“更改电压”的命令。

AVSbus扩展使用了一个简单（仅9个标准命令）和高效的命令集，专门优化以实现自适应电压缩放。主命令用于读取或设置电压，并固定在1mV/bit。它的电压设置范围从0 V到65.535V，这超出了大多数应用的要求。

总之，AVSBus是一种特定于应用程序的协议，允许诸如ASIC、FPGA或处理器等电源设备控制其自身电压以节省功耗。PMBus是一种开放的标准协议，它定义了与功率转换和其他设备通信的方法，允许有效配置和控制以及遥测数据。将这些协议组合在从属设备中是一种有效的解决方案，用于包含需要实现自适应电压缩放的负载系统。

本文编译自EEWORLDONLINE

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