使用PMbus管理电源转换器，避免电源干扰

向工业4.0和工业物联网（IIoT）的转变认为制造控制系统的各个要素采用更高水平的地方自治，以实现对市场需求的实时适应。在这种环境中维持吞吐量将取决于那些具有高度可靠性的本地控制器。识别故障条件的能力是保持高可用性和连续生产的关键，并且这延伸到电源，特别是因为功率转换器由于部件上的高应力而在现场倾向于遭受更高的故障率。高级诊断和在运行系统上热插拔电源转换器的能力对于维持正常运行时间非常重要。

PMbus不仅提供监控电源转换器和相关电路故障和问题迹象的方法，而且还为热插拔控制提供标准接口。 PMbus最初于2005年3月作为标准发布，它来自系统管理总线（SMbus），它是为控制数据中心服务器中的处理器板而开发的。

SMbus和PMbus都是基于相同的两线I 2 C总线，但PMbus添加一条警报线，允许总线上的任何节点中断系统主机。警报线的使用减少了该主站连续轮询从站进行更新的需要。这是一个重要的特性，因为它有助于降低高可靠性系统中使用的微控制器的软件开销。

图1：在一个内部使用PMbus系统级环境。 [来源：PMbus/SMIF]

使用串行总线，PMbus可以管理电路板上的多个电源转换器，提供比使用传统设计方法更精细的控制。 PMbus提供的管理级别使得可以按顺序激活每个转换器。受控启动可避免对主电源总线的干扰，例如电压骤降过大。以类似的方式，PMbus提供命令来自动关闭电源转换器，以便为热交换事件做好准备。为了在更换插入式电源时向技术人员和维护人员发出指示，PMbus将重要的监控和控制数据传递给系统管理控制器。

PMbus数据包结构简单但能够处理100多种不同的电源管理命令，可以扩展到当前的1字节命令空间，甚至可以通过2字节的扩展命令结构进行扩展。两个命令用于控制由PMbus控制器管理的电源转换器的启动顺序。在开始向下游设备供电之前，TON_DELAY为转换器在接收到控制信号之后设置等待时间。同样，TOFF_DELAY用于控制转换器在禁用其下游组件的电源之前等待的时间。

此外，PMbus控制器可以对输出电压进行微调控制。一旦收到TON_DELAY或TOFF_DELAY命令，TON_RISE和TON_FALL命令分别确定电压增加和减少的速度。

许多命令和消息代码提供对故障管理至关重要的信息。消息包括IOUT_ OC_FAULT_LIMIT，IOUT_OC_FAULT_RESPONSE，IOUT_OC_WARN_LIMIT，OT_WARN_ LIMIT，OT_FAULT_LIMIT和OT_FAULT_ RESPONSE。这些消息允许转换器报告输入和输出的过流，过压和过功率以及超出的温度限制。应对高可靠性系统中的系统控制器进行编程，以解释和处理这些故障指示。响应可以是在日志中记录故障，并且在IoT类型的环境中，将故障中继到负责协调设备的服务器。

或者，控制器可以采取直接行动。它可以关闭受影响的转换器，并允许热备用电源提供电源，直到安装更换。或者控制器可以重新启动或尝试重启转换器。命令IOUT_OC_ FAULT_LIMIT和IOUT_OC_FAULT_RESPONSE允许用户编程过流跳闸阈值，并确定当超过过流限制时转换器应如何响应。转换器也可能有硬连线响应。

图2：兼容设备中PMbus状态和控制寄存器的典型实现，以支持命令和状态代码。 [来源：PMbus/SMIF]

对于凌力尔特公司生产的LTC3882多相DC/DC稳压控制器，监控比较器在每个脉冲宽度调制（PWM）上检测到过校正条件）输出。如果特定通道的瞬时电流超过IOUT_OC_ FAULT_LIMIT命令设置的限值，则控制器立即禁用顶部FET，并且底部FET在周期的剩余时间内保持接通状态。

操作的进一步变化使用IOUT_OC_ FAULT_RESPONSE编程。硬件响应可能是尝试继续正常操作，重新启动通道并保持重新启动直到MFR_RETRY_DELAY命令指定的时间间隔或关闭通道。如果系统控制器确定故障可能是临时故障，则可以使用CLEAR_FAULTS等命令进行重置。如果故障立即再次出现，系统控制器可以选择进一步操作或重新编程故障响应，以便通道尝试重新启动，然后在故障未清除时关闭。

通过其命令结构和与兼容的控制器配合使用，PMbus可以在运行的系统中安全地交换电路板。德州仪器（TI）LM5066等热插拔控制器可以管理电路板的其他部分，确保设备在连接器配合时不会遇到高浪涌电流，或者在电路板突然出现时可能会在高电流时发生潜在的破坏性电压变化。

即使使用热插拔逻辑控制，也需要注意选择和集成功率开关FET，以控制向电路板其余部分供电。电路设计需要确保当热插拔开启时输出突然短接到地 - 热短路时 - 以及当输出和接地短路时电路板上电时电路正常工作，这是已知的

热插拔电路的一个关键特性是输出电容的大小，用于帮助平滑电源传输到电路板的其余部分。对此电容充电时，FET的总能量消耗是它可以存储的能量。因此，输入电压和电容决定了FET的应力。进一步考虑的是电路板本身的最大负载电流和热特性，因为这决定了MOSFET应该具有的导通电阻水平。它需要足够低以保持稳态温度低于FET的最大热额定值。

FET需要能够处理最大系统电压和瞬态。对于48 V系统，100 V FET应该足够了。此外，安全操作区域需要能够处理启动，热短路和开始短路的热交换条件。 LM5066提供的可编程SOA保护设置FET在任何条件下均可消耗的最大功率。存在可编程故障定时器，可以设置该定时器以避免误跳闸并限制负载事件的持续时间。支持循环模式以帮助确保在插入电源后启动。

图3：TI LM5066及其相关热插拔FET的电路图。

除电路保护外，LM5066还提供真正的电源保护使用PMbus向系统管理主机发送电源，电压，电流，温度和故障数据。集成遥测技术可实现智能电源管理功能，例如效率优化，并且除故障检测外，还提供电流，电压和功率平均以及峰值功率测量等功能，以改善系统诊断。

支持的另一项重要功能由PMbus提供的高可靠性系统是对电压裕度的支持，可用于LTC3882等设备。通常采用电压裕度来确定由于电源电压的微小变化IC性能是否会受到过度影响。在此过程中可以检测到接近其极限且存在故障风险的设备，并在离开生产设施之前进行更换。自动余量使得可以执行现场测试以检测由老化引起的问题。

使用传统电源的保证金测试很难执行。它可能要求将电阻器临时安装到DC/DC转换器，以迫使其输出电压在标称范围之外变化。 PMbus电压裕度命令-VOUT_MARGIN_HIGH和VOUT_MARGIN_LOW - 允许通过一对可以强制电压高于或低于正常设置的命令自动执行测试。

将支持的丰富命令集合在一起通过PMbus进行功率转换器测试，控制和故障监控将使工业系统提高其可靠性和弹性，并有助于支持向IIoT基础设施的过渡。