【導讀】盡管數字接口日益流行，但電源子係統的數字接口可以為特定電子應用帶來什麼好處還未能被人們廣泛了解。本文以適用於各種應用的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(shu)字(zi)通(tong)信(xin)和(he)控(kong)製(zhi)可(ke)以(yi)為(wei)電(dian)源(yuan)變(bian)換(huan)子(zi)係(xi)統(tong)及(ji)其(qi)所(suo)在(zai)係(xi)統(tong)帶(dai)來(lai)很(hen)多(duo)好(hao)處(chu)。數(shu)字(zi)接(jie)口(kou)為(wei)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)提(ti)供(gong)了(le)很(hen)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)
，它(ta)讓(rang)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)在(zai)係(xi)統(tong)板(ban)組(zu)裝(zhuang)完(wan)成(cheng)之(zhi)後(hou)再(zai)完(wan)善(shan)某(mou)些(xie)參(can)數(shu)，例(li)如(ru)電(dian)壓(ya)軌(gui)序(xu)列(lie)、故障保護閾值和反饋補償等。

將OSI模型用於數字通信時，它主要涉及兩個部分：執行通信的物理層（PHY）以及用於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製器共享一個接口，並用於服務器和PC中的多個子係統。

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 接口定義了雙向時鍾信號（SCL）和雙向數據信號（SDA）。PMBus基於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。兩種標準的時鍾和數據信號時序均相同。

PMBus標準要求，若要符合規範
，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協議用於常用命令

，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
，由於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製補碼整數
，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。

由於Signed（有符號）11位整數為-1,024至+1,023，尾數的大小應介於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，並保持尾數大小在所需範圍之內。

Linear16數據格式

Linear16格式與Linear11相似，但這種格式將完整的16位I2C命令包全部用於尾數，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於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製補碼整數

，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：

對於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，尾數目標值現在介於214 和215之間，即介於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並報告故障。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麵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製器（µC）的(de)存(cun)儲(chu)器(qi)中(zhong)

，每(mei)次(ci)啟(qi)動(dong)必(bi)須(xu)重(zhong)新(xin)加(jia)載(zai)變(bian)換(huan)器(qi)配(pei)置(zhi)。這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)，但(dan)需(xu)要(yao)在(zai)啟(qi)動(dong)時(shi)為(wei)主(zhu)機(ji)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)供(gong)電(dian)。要(yao)啟(qi)動(dong)變(bian)換(huan)器(qi)
，係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)單(dan)獨(du)的(de)偏(pian)置(zhi)變(bian)換(huan)器(qi)用(yong)於(yu)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)
，或(huo)者(zhe)數(shu)字(zi)變(bian)換(huan)器(qi)中(zhong)的(de)默(mo)認(ren)寄(ji)存(cun)器(qi)必(bi)須(xu)與(yu)配(pei)置(zhi)值(zhi)足(zu)夠(gou)接(jie)近(jin)。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係統（SoC）或類似數字ASIC中為微控製器內核微調電壓的應用。這些應用係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，並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
，適用於大批量的產品。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
、開關頻率和故障恢複行為
，而且提供了圖形用戶界麵（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後，可以使用GUI永久存儲。寫入OTP之後
，存儲值將成為寄存器的默認啟動值。這些默認值在啟動之後仍然可以通過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。用戶必須了解用於實現NVM的存儲器類型。閃存在微控製器中被廣泛使用，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是一款適用於電信和服務器應用的30A、可並聯、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zhe意yi味wei著zhe反fan複fu準zhun備bei和he測ce試shi硬ying件jian設she備bei
，每mei次ci都dou像xiang新xin硬ying件jian的de組zu裝zhuang和he生sheng產chan一yi樣yang。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia

，用yong戶hu應ying像xiang在zai批pi量liang生sheng產chan期qi間jian一yi樣yang，在zai產chan品pin開kai發fa過guo程cheng中zhong即ji準zhun確que存cun儲chu配pei置zhi信xin息xi。

沒有永久存儲器的變換器IC通常無需遵循PMBus的(de)寄(ji)存(cun)器(qi)定(ding)義(yi)標(biao)準(zhun)
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)將(jiang)這(zhe)些(xie)配(pei)置(zhi)寄(ji)存(cun)器(qi)的(de)開(kai)銷(xiao)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。如(ru)果(guo)隻(zhi)需(xu)幾(ji)個(ge)優(you)化(hua)的(de)寄(ji)存(cun)器(qi)，那(na)麼(me)開(kai)發(fa)讀(du)寫(xie)這(zhe)幾(ji)個(ge)寄(ji)存(cun)器(qi)的(de)固(gu)件(jian)是(shi)可(ke)行(xing)的(de)。但(dan)是(shi)，如(ru)果(guo)要(yao)與(yu)具(ju)備(bei)數(shu)十(shi)個(ge)配(pei)置(zhi)和(he)監(jian)視(shi)寄(ji)存(cun)器(qi)的(de)設(she)備(bei)接(jie)口(kou)
，那(na)開(kai)發(fa)固(gu)件(jian)工(gong)作(zuo)恐(kong)怕(pa)就(jiu)讓(rang)人(ren)吃(chi)不(bu)消(xiao)了(le)，因(yin)此(ci)，讓(rang)寄(ji)存(cun)器(qi)定(ding)義(yi)遵(zun)循(xun)PMBus標準非常有意義。

結論

在(zai)電(dian)源(yuan)變(bian)換(huan)器(qi)中(zhong)添(tian)加(jia)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)和(he)通(tong)信(xin)功(gong)能(neng)，可(ke)以(yi)簡(jian)化(hua)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)並(bing)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，使(shi)設(she)備(bei)更(geng)好(hao)地(di)集(ji)成(cheng)到(dao)現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)。但(dan)是(shi)，要(yao)充(chong)分(fen)發(fa)揮(hui)其(qi)功(gong)能(neng)優(you)勢(shi)
，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)深(shen)入(ru)了(le)解(jie)這(zhe)類(lei)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)不(bu)同(tong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)
，並(bing)熟(shu)悉(xi)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)的(de)特(te)定(ding)術(shu)語(yu)。

來源：MPS，作者：Mark Hagen and Oleg Volfson

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