基于PMBus和VID技術(shù)的電源電路設(shè)計(jì)

李國(guó)平，周建江

（南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016）

隨著高性能嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的通過(guò)無(wú)源器件產(chǎn)生的模擬信號(hào)來(lái)進(jìn)行設(shè)置和控制輸出電壓，啟動(dòng)時(shí)間的DC/DC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)難以滿(mǎn)足高性能嵌入式系統(tǒng)的用電需求。嵌入式系統(tǒng)的自適應(yīng)電源管理方案需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)改變電源的輸出電壓，上電次序，然而這些功能在傳統(tǒng)的DC/DC電源管理方案中是難以實(shí)現(xiàn)的。在這種背景下，數(shù)字可編程電源成為了最佳的選擇。而PMBus的出現(xiàn)為動(dòng)態(tài)電源系統(tǒng)之間的通信提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，PMBus總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)了電壓識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)PMBus總線(xiàn)可以方便的對(duì)支持電壓識(shí)別技術(shù)的電源芯片進(jìn)行在線(xiàn)編程和配置。

PMBus總線(xiàn)技術(shù)從IIC總線(xiàn)發(fā)展而來(lái)，包括兩個(gè)從IIC總線(xiàn)繼承而來(lái)的基本信號(hào) SCL（時(shí)鐘信號(hào)）和SDA（數(shù)據(jù)信號(hào)），兩個(gè)輔助信號(hào)ALTER#信號(hào)和CTL信號(hào)可分別用來(lái)響應(yīng)主控制器和關(guān)閉PMBus電源芯片的輸出。

1 基于PMBus的電源芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1 PMBus基本信號(hào)Fig.1 Basic signal of PMBus

基于PMBus的電源芯片主要由模擬前端，補(bǔ)償濾波器，脈寬調(diào)制波產(chǎn)生器和一個(gè)內(nèi)部的控制器組成。模擬前端主要接收輸出電壓的反饋信號(hào)和電源芯片內(nèi)部設(shè)置的輸出電壓進(jìn)行比較，將比較的結(jié)果通過(guò)補(bǔ)償濾波器進(jìn)行處理得到脈沖寬度調(diào)制波需要調(diào)整的大小，并通過(guò)脈寬調(diào)制波產(chǎn)生器產(chǎn)生脈寬調(diào)制波來(lái)驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)器，最終通過(guò)電源驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生輸出電壓。

圖2 PMBus電源芯片基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of the PMBus power chip

1.1 模擬前端

模擬前端需要將輸出電壓的反饋電壓和電源芯片內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，參考電壓決定了輸出電壓的大小。當(dāng)電源芯片支持電壓識(shí)別技術(shù)，其參考電壓由負(fù)載芯片的VID信號(hào)決定。當(dāng)電源芯片不接受來(lái)自電壓使用芯片的VID電壓反饋信號(hào)時(shí)，輸出電壓由PMBus命令VOUT_COMMAND，VOUT_CAL_OFFSET，VOUT_SCALE_LOOP和 VOUT_MAX決定。圖3顯示了以上命令和參考電壓之間的關(guān)系。

圖3 PMBus電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)圖Fig.3 PMBus voltage adjustment chart

模擬前端主要包括電壓比較器和和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。電壓比較器主要用于比較輸出電壓反饋信號(hào)和參考電壓，其輸出的值是兩個(gè)電壓的差值。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將這一差值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)交由補(bǔ)償濾波器進(jìn)行處理。

1.2 補(bǔ)償濾波器

補(bǔ)償濾波器的傳遞函數(shù)具有兩個(gè)零點(diǎn)，極點(diǎn)的函數(shù)，為可以表述為：

為了設(shè)計(jì)方便，補(bǔ)償濾波器的函數(shù)可以表述為零點(diǎn)和極點(diǎn)的形式，假設(shè)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)為 ωz1和 ωz2，極點(diǎn)為 ωp1，ωp2其中ωp1=0

式中，KDC=ω0代表濾波器的增益，ωZ=代表零點(diǎn)的中心頻率，代表零點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)。式（2）式中的傳遞函數(shù)是連續(xù)形式，將其轉(zhuǎn)換為（1）的形式，需要代入式（3）

Fs代表連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)的采樣頻率。

得到 a0，a1，a2，b0，b1，b2，和 KDC，ωz，Qz，ωp2的關(guān)系式

得到 a0=1，令 x·z-1=x（n-1），x·z-2=x（n-2），代入式（1），得到

式（6）為補(bǔ)償濾波器的表現(xiàn)形式，當(dāng)確定了極點(diǎn)，零點(diǎn)的大小，代入式（4）和式（5）分別得到 b0，b1，b2和 a0，a1，a2。 補(bǔ)償濾波器的系數(shù)的設(shè)置直接影響了電源的性能，因此，電源芯片廠商設(shè)計(jì)的電源芯片配置軟件一般都具有根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖和所需電壓特性來(lái)自動(dòng)計(jì)算濾波器系數(shù)的功能。

1.3 脈沖寬度調(diào)制波產(chǎn)生器

補(bǔ)償濾波器計(jì)算了所需要輸出的脈沖寬度調(diào)制波的占空比。脈沖寬度調(diào)制波產(chǎn)生器將這一占空比和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率的周期相乘，得到在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，脈沖寬度調(diào)制波輸出為高電平的時(shí)間。

一般的 這一值可以用下式計(jì)算得到：

其中，Vout為最終的輸出電壓，Vin為電源驅(qū)動(dòng)的輸入電壓。

1.4 電壓識(shí)別技術(shù)

在電源電路的設(shè)計(jì)中，采用可編程芯片的一個(gè)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)電壓識(shí)別技術(shù)。作為降低系統(tǒng)功耗的一項(xiàng)重要措施，電壓識(shí)別技術(shù)（VID）現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高速嵌入式系統(tǒng)。電壓識(shí)別技術(shù)指利用被供電芯片產(chǎn)生的反饋信號(hào)，電源芯片實(shí)時(shí)調(diào)整供電電壓，以降低功耗。文獻(xiàn)[1]提供了一種電壓識(shí)別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，其利用VID反饋信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種基于電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的電源電路，如圖4所示。VID信號(hào)控制MOS管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)選擇串接的電阻，電壓輸出芯片根據(jù)串接電阻的阻值提供不同的供電電壓。

圖4 電壓識(shí)別技術(shù)的一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)Fig.4 A simple implementation of the voltage identification technology

但是這一電源電路雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)供電電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，但是其輸出的電壓的精度容易受電阻精度的影響。且工作模式單一，當(dāng)需要調(diào)整電壓輸出范圍時(shí)，只能通過(guò)更換電壓輸出芯片來(lái)滿(mǎn)足新的設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種支持電壓識(shí)別技術(shù)的DC/DC電源控制器，其支持8 bit電壓識(shí)別模式，通過(guò)反饋得到的VID數(shù)據(jù)計(jì)算得到占空比，占空比信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路加載到MOS管，控制其導(dǎo)通和斷開(kāi)的時(shí)間，從而得到所需要的輸出，降低了輸出電壓的精度對(duì)電阻精度的影響。這些基本原理在基于PMBus總線(xiàn)的電源芯片上得到實(shí)現(xiàn)，且利用基于PMBus總線(xiàn)的電源芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓識(shí)別技術(shù)將會(huì)非常簡(jiǎn)單和靈活。

以德州儀器的電源控制芯片UCD9222為例，其支持4 bit，6 bit和8 bit 3種工作模式的電壓識(shí)別技術(shù)。在4 bit模式下，4個(gè)VID反饋信號(hào)提供4 bit位寬的VID數(shù)據(jù)；在6 bit模式下，前3位bit在VID3的上升沿時(shí)采樣獲得，后3位bit在VID3的下降沿獲得，以此組成6 bit位寬的VID數(shù)據(jù)；在8 bit模式時(shí)，電源芯片通過(guò)自帶的IIC總線(xiàn)得到VID數(shù)據(jù)。在獲得VID數(shù)據(jù)后，電源芯片根據(jù)VID數(shù)據(jù)計(jì)算所需產(chǎn)生的電壓。計(jì)算公式如下式所示，其中Vref_cmd代表所需要產(chǎn)生的 電 壓 ，VID_CODE 為 VID 數(shù) 據(jù) ，VID_Vout_High，VID_Vout_Low分別代表電壓輸出范圍的上限和下限，VID_Format為電壓識(shí)別技術(shù)的工作模式。

2 基于PMBus和VID技術(shù)的電源電路設(shè)計(jì)

文中以德州儀器電源控制芯片UCD9222和電源驅(qū)動(dòng)芯片UCD7242為例，設(shè)計(jì)一具有兩路電壓輸出的電源電路。為了顯示PMBus電源管理系統(tǒng)的電壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能，其中一路電壓輸出根據(jù)得到的VID反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓的大小。

UCD9222芯片是一款基于PMBus總線(xiàn)的電源控制器，可以控制兩路獨(dú)立的電源輸出，而UCD7424芯片的主要作用是電源驅(qū)動(dòng)，可以產(chǎn)生兩路獨(dú)立的電源。UCD7242接收UCD9222的脈沖寬度調(diào)制波作為輸入，當(dāng)脈沖寬度調(diào)制波為高電平時(shí)，UCD7424中的高位MOSFET開(kāi)關(guān)閉合，輸出端電壓開(kāi)始充電；當(dāng)脈沖寬度調(diào)制波為低電平時(shí)，高位MOSFET開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸出端電壓放電。通過(guò)控制MOSFET開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和閉合的時(shí)間來(lái)控制輸出電壓的大小，這也就是開(kāi)關(guān)電源的基本原理。圖5表示了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)。

圖5 UCD9222+UCD7424電源管理系統(tǒng)Fig.5 A power management system based on UCD9222+UCD7424

其中UCD9222產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波，UCD7424根據(jù)接收到的脈沖寬度調(diào)制波產(chǎn)生被供電芯片所需的輸出電壓。輸出電壓作為被供電芯片的電源，同時(shí)通過(guò)反饋信號(hào)返回UCD9222，同UCD9222X芯片內(nèi)部參考信號(hào)進(jìn)行比較，方便電源控制芯片對(duì)輸出電壓的偏移做出及時(shí)的反應(yīng)。為了防止電壓反饋超過(guò)參考電壓的最大值，在模擬前端輸入端添加分壓網(wǎng)絡(luò)。

UCD9222支持VID接口，被供電芯片的VID接口可以通過(guò)4路VID信號(hào)反饋到UCD9222，從而進(jìn)行電壓實(shí)時(shí)調(diào)整。

這一基于PMBus總線(xiàn)設(shè)計(jì)的電源電路配置靈活，可以通過(guò)圖形化的配置界面將芯片的上電順序和上電電壓寫(xiě)入電壓芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)中，圖6（左）所示為本電源電路的上電順序和上電電壓的圖形化配置圖，其中通道2的電壓輸出相對(duì)通道1的電壓輸出延遲5 ms，通道1和通道2的電壓分別設(shè)定為0.9 V和1.0 V。圖6（右）展示了本電源電路的實(shí)測(cè)上電順序和電壓，測(cè)試圖形和控制芯片配置值基本一致。

圖6 系統(tǒng)上電配置圖和系統(tǒng)上電實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.6 System power-up sequence configuration diagram and System power-up sequence measured

3 結(jié)束語(yǔ)

高質(zhì)量的系統(tǒng)電壓是優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)的必備因素，PMBus總線(xiàn)技術(shù)為各種數(shù)字控制電源提供了一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了數(shù)字電源管理系統(tǒng)的發(fā)展。文中詳細(xì)闡述了基于PMBus總線(xiàn)電源芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了模擬前端，補(bǔ)償濾波器，脈沖寬度調(diào)制波產(chǎn)生器這3個(gè)部分在電源中的作用。最后，設(shè)計(jì)了支持多種模式的電壓識(shí)別技術(shù)（VID）的電源電路，該電源電路為高速嵌入式系統(tǒng)的電源提供了一個(gè)具有低功耗特性的解決方案。

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