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数字通信和控制效益电力转换器子系统

文章作者:Mark Hagen和Oleg Volfson

了解电源子系统的数字接口如何有利于特定的电子应用。

数字通信和控制效益电源转换器子系统及其部分的一部分。数字接口提供电源设计工程师，在系统板从装配返回后，具有更大的灵活性，可以更大地完成和优化某些参数（例如，电压轨道，故障保护阈值和反馈补偿的序列）。

使用OSI模型对于数字通信，数字通信存在两个主要方面：执行通信的物理层（PHY）以及定义用于传送信息的协议或命令集的数据链路层。

大多数电力转换器的PHY是我²C串行接口，或其衍生物，SMBus，所示图1。我的²C接口定义了双向时钟信号(SCL)和双向数据信号(SDA)。SMBus添加了一个可选的警报信号(通常用于生成中断)，并为信令使用固定的逻辑级别。两个标准的时钟和数据的信号定时是相同的。这些PHY选择允许多个转换器电路与主控制器共享一个接口，并用于许多服务器和PC子系统，如风扇控制和电源/休眠功能。

数据链路层定义要在主机和电压转换器电路之间传送的信息。数据可以定义为一组可寻址寄存器，其具有针对每个IC唯一定义的数据位，或者寄存器可以遵循行业标准。电源管理标准是PMBus标准，它提供了一组定义的寄存器/命令来传达状态。（对于我之间的区别²C、SMBus和PMBus，请参考PMBus网站。)

图1我的²C / PMBus信号提供最常用于通信的物理接口与电源转换器。

PMBus标准状态表示，要考虑符合规范，电源设备必须实现至少一个PMBus命令。大多数配备PMBus的设备用于几个常见命令的PMBus协议，例如设置输出电压或读取芯片温度。但是，几乎所有设备也实现了该设备唯一的MFG_Pecific寄存器。

数据和命令格式

此外，PMBus标准调用两种方法来将值编码成可以通过接口通信的数字字:直接和线性。对于direct方法，命令中的值是制造商为设备中的寄存器定义的整数值。另一方面，线性数据格式是浮点值表示的一种形式。在实践中，大多数设备使用线性11或线性16表示数据值。

Linear11数据格式具有11位尾数和5位指数（图2）。尾数和指数都是两个补体整数，这意味着它们可以是正面的或负面的。您将实际值转换为Linear11格式，等式1：

X_真实世界= y·2^N（1）

图2Linear11数据格式具有11位的尾数和5位指数，两者都以两者表示表示。

指数n可以是正面的或负的，2^N定义Y Mantissa LSB的大小。因此，可以使用Linear11格式表示的最小数字为±2^-16年X 1 =±15.3e-6。最大值为±33.5e6。

由于签名的11位整数从-1,024到+1,023到+1,023，因此尾数的幅度应保持在512和1,023之间，以最大化编码期间的数据分辨率。这表明一种方法是将实际值编码为PMBus Linear11格式化值：从n = -16开始，然后递增n，直到尾数的幅度在所需范围内。

线性16格式有一个16位尾数和一个5位指数，尾数和指数都是两个补整数。数据结构类似于Linear11，除了Linear16使用完整的16位I²C命令包用于尾数，并单独提供指数（图3.），可能与命令代码混合。例如，MPQ4230来自MPS的Buck-Boost转换器使用VOUT_COMMAND和READ_VOUT的LINEAR16格式，该格式设置并读取输出电压，其中命令代码和指数在一个字节中组合。您将实际值转换为带有公式2的Linear16格式：

X_真实世界= y·2^N（2）

图3.Linear16和Linear11一样，使用2的尾数和指数的补码，但是将它们以单独的单词发送，可能还包括一个命令代码。

对于5位指数，可以用Linear16格式表示的最小数字仍然是±2^-16年X 1 =±15.3e-6。但是，尾数的目标值现在在2之间^14.和2^15.，或16,384到32,767之间。这提供了更多的分辨率来设置和读取输出电压。

PMBus命令可以设置转换器的输出电压，使能设备，确定是否已超过警告阈值，并报告故障。许多制造商通常使用一些命令，例如MPS的status_word命令MPM3695-25电源模块，显示在表格1。

表格1此状态_Word命令提供各种系统故障的指示。

但是给定设备唯一的制造特定命令也在使用中。考虑MPM3695-25的MFR_CTRL_COMP命令。虽然status_word是许多IC的常见命令，但MPM3695-25的常用时间补偿循环对于该芯片是唯一的，并且具有自己的唯一命令，如图所示表2。

表2此MRF_CTRL_COMP (Addr/Command 0xD0)命令对MPS MPM3695-25是唯一的。

带有数字接口的转换器的存储器选项

可以通过数字总线进行通信的转换器在可用内存选项方面也有所不同。这些选项可分为三种内存分类:

转换器中没有永久存储器:在这种情况下，配置存储在主机微控制器(μC)的内存中，每次启动后必须加载转换器配置。这可以简化设计，降低成本，但需要在启动时单独为主机μC供电，以便配置目标电源转换器。作为一种替代方案，如果数字转换器中的默认寄存器足够接近最终配置值，则可以在完成转换器配置时为μC提供足够的功率。例如，在系统芯片(SoC)或类似的数字ASIC中，需要微调核心电压的应用程序。一个转换器，如MP8843同步降压转换器与I²C接口必须在每次启动后重新配置，但默认为在启动期间将运行核心的设置，但未针对处理器速度和功耗进行优化。闪存中的应用程序固件可以在启动后，然后写入设备的i²C接口优化系统运行时的核心电压。
一次性可编程(OTP)内存:对于需要在优化设置下启动的大批量产品，OTP是一种成本效益高、可靠的解决方案。然而，这种方法可能要求IC供应商为每个申请创建一个独特的零件编号。例如，MPS MP8859是一个带有I的4开关降压转换器²C接口和OTP存储器，可设置输出电压、最大电流、开关频率和故障恢复行为。可以使用图形用户界面(GUI)程序来选择可优化用户应用程序性能的寄存器值。一旦确定了完整的寄存器值集，就可以使用GUI永久地存储它们，以便写入OTP。这些存储的值然后成为寄存器的默认启动值，尽管目标系统的应用程序软件仍然可以通过I更改寄存器²启动后C接口。一旦设计者在最终产品开发期间确定了所需的默认寄存器值，就可以在制造时间写入转换器OTP内存中的那些值，为用户提供步骤
非易失性存储器（NVM）：NVM提供最高的灵活性，但成本更高。用户还必须意识到用于实现NVM的内存类型。闪存广泛用于μCS，但在高温下操作时会迅速降低，这通常是电源转换器的关注。因此，MP等公司不利用其产品中的闪存。NVM的优点是寄存器值可以多次将寄存器值保存到NVM。这意味着硬件可以重复准备和测试，好像它被组装/制造为新硬件。在这些情况下，用户应该在产品开发期间将配置信息存储在卷制造过程中。

没有永久内存的转换器IC通常不会遵循PMBus标准进行寄存器定义，这最小化了其配置寄存器的开销。只需在此类设备中只有一些优化的寄存器，用户努力开发用于读取和写入这些非标准寄存器的固件是可管理的。但是，将固件开发到具有数十个独特配置和监视寄存器的设备的设备可能是令人生畏的，因此使寄存器定义遵循PMBus标准可能是非常有价值的。

通过简化系统设计，将数字控制和通信功能添加到功率转换器，可以更好地将这些设备集成到现代电子系统中，并提高灵活性和可靠性。然而，获得这些功能的好处的最佳方法是为设计工程师熟悉与数字接口和控制的不同方法，以及这些设备的特定命名。万博投注网址了解与之关注的通信标准和权衡，将有助于设计人员在功率转换器中选择良好的成本和灵活性组合。

马克哈根他是单片电力系统的高级现场应用工程师。

奥列格Volfson他是单片电力系统的高级现场应用工程师。

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