基于PMBus和VID技術的電源電路設計

李國平，周建江

（南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016）

隨著高性能嵌入式系統的不斷發展，傳統的通過無源器件產生的模擬信號來進行設置和控制輸出電壓，啟動時間的DC/DC轉換器已經難以滿足高性能嵌入式系統的用電需求。嵌入式系統的自適應電源管理方案需要在系統的運行過程中根據系統的運行狀況實時改變電源的輸出電壓，上電次序，然而這些功能在傳統的DC/DC電源管理方案中是難以實現的。在這種背景下，數字可編程電源成為了最佳的選擇。而PMBus的出現為動態電源系統之間的通信提供了一個標準。同時，PMBus總線標準推動了電壓識別技術的發展，通過PMBus總線可以方便的對支持電壓識別技術的電源芯片進行在線編程和配置。

PMBus總線技術從IIC總線發展而來，包括兩個從IIC總線繼承而來的基本信號 SCL（時鐘信號）和SDA（數據信號），兩個輔助信號ALTER#信號和CTL信號可分別用來響應主控制器和關閉PMBus電源芯片的輸出。

1 基于PMBus的電源芯片內部結構

圖1 PMBus基本信號Fig.1 Basic signal of PMBus

基于PMBus的電源芯片主要由模擬前端，補償濾波器，脈寬調制波產生器和一個內部的控制器組成。模擬前端主要接收輸出電壓的反饋信號和電源芯片內部設置的輸出電壓進行比較，將比較的結果通過補償濾波器進行處理得到脈沖寬度調制波需要調整的大小，并通過脈寬調制波產生器產生脈寬調制波來驅動電源驅動器，最終通過電源驅動器產生輸出電壓。

圖2 PMBus電源芯片基本結構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部的參考電壓進行比較，參考電壓決定了輸出電壓的大小。當電源芯片支持電壓識別技術，其參考電壓由負載芯片的VID信號決定。當電源芯片不接受來自電壓使用芯片的VID電壓反饋信號時，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系。

圖3 PMBus電壓調整結構圖Fig.3 PMBus voltage adjustment chart

模擬前端主要包括電壓比較器和和一個模數轉換器。電壓比較器主要用于比較輸出電壓反饋信號和參考電壓，其輸出的值是兩個電壓的差值。模數轉換器將這一差值轉換為數字信號交由補償濾波器進行處理。

1.2 補償濾波器

補償濾波器的傳遞函數具有兩個零點，極點的函數，為可以表述為：

為了設計方便，補償濾波器的函數可以表述為零點和極點的形式，假設傳遞函數的零點為 ωz1和 ωz2，極點為 ωp1，ωp2其中ωp1=0

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

Fs代表連續信號轉換為離散信號的采樣頻率。

得到 a0，a1，a2，b0，b1，b2，和 KDC，ωz，Qz，ωp2的關系式

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）為補償濾波器的表現形式，當確定了極點，零點的大小，代入式（4）和式（5）分別得到 b0，b1，b2和 a0，a1，a2。 補償濾波器的系數的設置直接影響了電源的性能，因此，電源芯片廠商設計的電源芯片配置軟件一般都具有根據設計的電路圖和所需電壓特性來自動計算濾波器系數的功能。

1.3 脈沖寬度調制波產生器

補償濾波器計算了所需要輸出的脈沖寬度調制波的占空比。脈沖寬度調制波產生器將這一占空比和開關轉換頻率的周期相乘，得到在一個脈沖周期內，脈沖寬度調制波輸出為高電平的時間。

一般的 這一值可以用下式計算得到：

其中，Vout為最終的輸出電壓，Vin為電源驅動的輸入電壓。

1.4 電壓識別技術

在電源電路的設計中，采用可編程芯片的一個主要目的是為了實現電壓識別技術。作為降低系統功耗的一項重要措施，電壓識別技術（VID）現已廣泛應用于高速嵌入式系統。電壓識別技術指利用被供電芯片產生的反饋信號，電源芯片實時調整供電電壓，以降低功耗。文獻[1]提供了一種電壓識別技術的實現方法，其利用VID反饋信號，設計了一種基于電阻分壓網絡的電源電路，如圖4所示。VID信號控制MOS管的開關狀態來選擇串接的電阻，電壓輸出芯片根據串接電阻的阻值提供不同的供電電壓。

圖4 電壓識別技術的一種簡單實現Fig.4 A simple implementation of the voltage identification technology

但是這一電源電路雖然實現了對供電電壓的實時調節，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，當需要調整電壓輸出范圍時，只能通過更換電壓輸出芯片來滿足新的設計要求。文獻[2]設計了一種支持電壓識別技術的DC/DC電源控制器，其支持8 bit電壓識別模式，通過反饋得到的VID數據計算得到占空比，占空比信號通過驅動電路加載到MOS管，控制其導通和斷開的時間，從而得到所需要的輸出，降低了輸出電壓的精度對電阻精度的影響。這些基本原理在基于PMBus總線的電源芯片上得到實現，且利用基于PMBus總線的電源芯片來實現電壓識別技術將會非常簡單和靈活。

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別技術。在4 bit模式下，4個VID反饋信號提供4 bit位寬的VID數據；在6 bit模式下，前3位bit在VID3的上升沿時采樣獲得，后3位bit在VID3的下降沿獲得，以此組成6 bit位寬的VID數據；在8 bit模式時，電源芯片通過自帶的IIC總線得到VID數據。在獲得VID數據后，電源芯片根據VID數據計算所需產生的電壓。計算公式如下式所示，其中Vref_cmd代表所需要產生的 電 壓 ，VID_CODE 為 VID 數 據 ，VID_Vout_High，VID_Vout_Low分別代表電壓輸出范圍的上限和下限，VID_Format為電壓識別技術的工作模式。

2 基于PMBus和VID技術的電源電路設計

文中以德州儀器電源控制芯片UCD9222和電源驅動芯片UCD7242為例，設計一具有兩路電壓輸出的電源電路。為了顯示PMBus電源管理系統的電壓實時調節功能，其中一路電壓輸出根據得到的VID反饋信號，實時調整輸出電壓的大小。

UCD9222芯片是一款基于PMBus總線的電源控制器，可以控制兩路獨立的電源輸出，而UCD7424芯片的主要作用是電源驅動，可以產生兩路獨立的電源。UCD7242接收UCD9222的脈沖寬度調制波作為輸入，當脈沖寬度調制波為高電平時，UCD7424中的高位MOSFET開關閉合，輸出端電壓開始充電；當脈沖寬度調制波為低電平時，高位MOSFET開關斷開，輸出端電壓放電。通過控制MOSFET開關的打開和閉合的時間來控制輸出電壓的大小，這也就是開關電源的基本原理。圖5表示了系統實現的基本結構。

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

其中UCD9222產生脈沖寬度調制波，UCD7424根據接收到的脈沖寬度調制波產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，同時通過反饋信號返回UCD9222，同UCD9222X芯片內部參考信號進行比較，方便電源控制芯片對輸出電壓的偏移做出及時的反應。為了防止電壓反饋超過參考電壓的最大值，在模擬前端輸入端添加分壓網絡。

UCD9222支持VID接口，被供電芯片的VID接口可以通過4路VID信號反饋到UCD9222，從而進行電壓實時調整。

這一基于PMBus總線設計的電源電路配置靈活，可以通過圖形化的配置界面將芯片的上電順序和上電電壓寫入電壓芯片的內部存儲中，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的電壓分別設定為0.9 V和1.0 V。圖6（右）展示了本電源電路的實測上電順序和電壓，測試圖形和控制芯片配置值基本一致。

圖6 系統上電配置圖和系統上電實測結果Fig.6 System power-up sequence configuration diagram and System power-up sequence measured

3 結束語

高質量的系統電壓是優秀的嵌入式系統的必備因素，PMBus總線技術為各種數字控制電源提供了一個通信標準，推動了數字電源管理系統的發展。文中詳細闡述了基于PMBus總線電源芯片的內部結構，重點分析了模擬前端，補償濾波器，脈沖寬度調制波產生器這3個部分在電源中的作用。最后，設計了支持多種模式的電壓識別技術（VID）的電源電路，該電源電路為高速嵌入式系統的電源提供了一個具有低功耗特性的解決方案。

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