Giao tiếp kỹ thuật số trong các ứng dụng cung cấp điện

Giao tiếp kỹ thuật số và điều khiển có lợi cho các hệ thống con của bộ chuyển đổi điện và các hệ thống mà chúng là một phần của nó , vẫn đề thiết kế nguồn điện ac/dc Giao diện kỹ thuật số cung cấp cho kỹ sư thiết kế nguồn sự linh hoạt hơn để hoàn thiện và tối ưu hóa các thông số nhất định (ví dụ: trình tự của đường ray điện áp, ngưỡng bảo vệ lỗi và bù phản hồi) sau khi bảng hệ thống trở lại từ quá trình lắp ráp.

Sử dụng mô hình OSI cho giao tiếp kỹ thuật số, có hai khía cạnh chính của giao tiếp kỹ thuật số: lớp vật lý (PHY) nơi giao tiếp được thực thi và lớp liên kết dữ liệu, xác định giao thức hoặc tập lệnh được sử dụng để truyền thông tin.

PHY cho hầu hết các bộ chuyển đổi nguồn là giao diện nối tiếp I2C, hoặc dẫn xuất của nó, SMBus, được thể hiện trong Hình 1. Giao diện I2C xác định tín hiệu đồng hồ hai chiều (SCL) và tín hiệu dữ liệu hai chiều (SDA). SMBus bổ sung một tín hiệu cảnh báo tùy chọn (thường được sử dụng để tạo ra các ngắt) và sử dụng các mức logic cố định cho tín hiệu. Định thời tín hiệu cho đồng hồ và dữ liệu giống nhau cho cả hai tiêu chuẩn. Các lựa chọn PHY này cho phép nhiều mạch chuyển đổi chia sẻ một giao diện duy nhất với bộ điều khiển máy chủ và được sử dụng trong nhiều hệ thống con của máy chủ và PC, chẳng hạn như điều khiển quạt và chức năng nguồn / ngủ.

Lớp liên kết dữ liệu xác định thông tin được giao tiếp giữa mạch chủ và mạch chuyển đổi điện áp. Dữ liệu có thể được định nghĩa là một tập hợp các thanh ghi có thể định địa chỉ với các bit dữ liệu được định nghĩa duy nhất cho mỗi IC hoặc các thanh ghi có thể tuân theo một tiêu chuẩn công nghiệp. Một tiêu chuẩn như vậy để quản lý nguồn là tiêu chuẩn PMBus, cung cấp một tập hợp các thanh ghi / lệnh được xác định để giao tiếp trạng thái. (Để biết sự khác biệt giữa I2C, SMBus và PMBus, hãy tham khảo trang web PMBus.)

Giao tiếp kỹ thuật số trong các ứng dụng cung cấp điệnHình 1 Các tín hiệu I2C / PMBus cung cấp giao diện vật lý thường được sử dụng nhất trong truyền thông tới bộ chuyển đổi nguồn.

Tiêu chuẩn PMBus tuyên bố rằng, để được coi là tuân thủ đặc điểm kỹ thuật, thiết bị nguồn phải thực hiện ít nhất một trong các lệnh PMBus. Hầu hết các thiết bị được trang bị PMBus thực hiện giao thức PMBus cho một số lệnh phổ biến, chẳng hạn như thiết lập điện áp đầu ra hoặc đọc nhiệt độ khuôn. Tuy nhiên, gần như tất cả các thiết bị cũng triển khai thanh ghi MFG_SPECIFIC duy nhất cho thiết bị đó.

Định dạng dữ liệu và lệnh

Ngoài ra, tiêu chuẩn PMBus gọi ra hai phương pháp để mã hóa các giá trị thành một từ kỹ thuật số có thể được giao tiếp qua giao diện: trực tiếp và tuyến tính. Đối với phương pháp trực tiếp, giá trị trong lệnh là giá trị nguyên mà nhà sản xuất đã xác định cho thanh ghi trong thiết bị. Mặt khác, định dạng dữ liệu tuyến tính là một dạng biểu diễn giá trị dấu phẩy động. Trong thực tế, hầu hết các thiết bị sử dụng biểu diễn Linear11 hoặc Linear16 cho các giá trị dữ liệu.

Định dạng dữ liệu Linear11 có phần định trị 11 bit và số mũ 5 bit (Hình 2). Cả phần định trị và số mũ đều là hai số nguyên bù nhau, có nghĩa là chúng có thể dương hoặc âm. Bạn chuyển đổi giá trị trong thế giới thực sang định dạng Linear11 với Phương trình 1:

Số mũ N có thể dương hoặc âm và 2N xác định kích thước của LSB phần định trị Y. Do đó, số nhỏ nhất có thể được biểu diễn bằng định dạng Linear11 là ± 2-16 x 1 = ± 15.3e-6. Số lớn nhất là ± 33,5e6.

Vì số nguyên 11 bit có dấu, đi từ -1,024 đến +1,023, độ lớn của phần định trị phải được giữ trong khoảng 512 đến 1,023 để tối đa hóa độ phân giải dữ liệu trong quá trình mã hóa. Điều này gợi ý một cách tiếp cận để mã hóa giá trị trong thế giới thực dưới dạng giá trị được định dạng PMBus Linear11: bắt đầu bằng N = -16, sau đó tăng N cho đến khi độ lớn của phần định trị nằm trong phạm vi mong muốn.

mạch snubber là gì

Định dạng Linear16 có phần định trị 16 bit và số mũ 5 bit, với cả phần định trị và số mũ là số nguyên bổ sung hai phần. Cấu trúc dữ liệu giống như cấu trúc của Linear11, ngoại trừ việc Linear16 sử dụng gói lệnh I2C 16 bit đầy đủ cho phần định trị và cung cấp số mũ riêng biệt (Hình 3), có thể được trộn lẫn với mã lệnh. Ví dụ: bộ chuyển đổi tăng cường MPQ4230 từ MPS sử dụng định dạng Linear16 cho VOUT_COMMAND và READ_VOUT, thiết lập và đọc điện áp đầu ra, với mã lệnh và số mũ được kết hợp trong một byte. Bạn chuyển đổi giá trị trong thế giới thực sang định dạng Linear16 với Phương trình 2:Hình 3 Linear16, giống như Linear11, sử dụng hai phần bù cho phần định trị và số mũ, nhưng gửi chúng bằng các từ riêng biệt cũng có thể bao gồm mã lệnh.

Với số mũ 5 bit, số nhỏ nhất có thể được biểu diễn bằng cách sử dụng định dạng Linear16 vẫn là ± 2-16 x 1 = ± 15.3e-6. Tuy nhiên, giá trị mục tiêu cho phần định trị hiện nằm trong khoảng từ 214 đến 215, hoặc từ 16,384 đến 32,767. Điều này mang lại nhiều độ phân giải hơn để đặt và đọc điện áp đầu ra.

Các lệnh PMBus có thể đặt điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi, kích hoạt thiết bị, xác định xem có vượt quá ngưỡng cảnh báo hay không và báo lỗi. Một số lệnh thường được nhiều nhà sản xuất sử dụng, ví dụ lệnh STATUS_WORD cho mô-đun nguồn MPM3695-25 của MPS, được hiển thị trong Bảng 1.

Bảng 1 Lệnh STATUS_WORD này cung cấp dấu hiệu về các lỗi hệ thống khác nhau.Nhưng các lệnh dành riêng cho sản xuất dành riêng cho một thiết bị nhất định cũng được sử dụng. Hãy xem xét lệnh MFR_CTRL_COMP của MPM3695-25. Mặc dù STATUS_WORD là lệnh phổ biến cho nhiều IC, vòng lặp bù không đổi theo thời gian cho MPM3695-25 là duy nhất cho chip này và có lệnh duy nhất của riêng nó, như được hiển thị trong

Tùy chọn bộ nhớ cho bộ chuyển đổi với giao diện kỹ thuật số

Các bộ chuyển đổi có thể giao tiếp qua bus kỹ thuật số cũng khác nhau về các tùy chọn bộ nhớ khả dụng. Các tùy chọn này thuộc ba phân loại bộ nhớ:

Không có bộ nhớ cố định trong bộ chuyển đổi: Trong trường hợp này, cấu hình được lưu trữ trong bộ nhớ của vi điều khiển chủ (μC) và cấu hình bộ chuyển đổi phải được tải sau mỗi lần khởi động. Điều này có thể đơn giản hóa thiết kế và giảm chi phí nhưng yêu cầu một phương tiện riêng biệt để cấp nguồn cho μC máy chủ khi khởi động để nó có thể cấu hình bộ chuyển đổi nguồn chủ thể. Thay vào đó, việc có các thanh ghi mặc định trong bộ chuyển đổi kỹ thuật số đủ gần với các giá trị được định cấu hình cuối cùng có thể cho phép bộ chuyển đổi cung cấp đủ năng lượng cho μC trong khi hoàn thiện cấu hình của bộ chuyển đổi. Ví dụ: hãy xem xét một ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốt điện áp lõi cho lõi μC trong hệ thống trên chip (SoC) hoặc ASIC kỹ thuật số tương tự. Một bộ chuyển đổi như bộ chuyển đổi buck đồng bộ MP8843 với giao diện I2C phải được cấu hình lại sau mỗi lần khởi động, nhưng mặc định là cài đặt sẽ chạy lõi trong quá trình khởi động nhưng không được tối ưu hóa cho tốc độ bộ xử lý và tản điện. Sau khi khởi động, chương trình cơ sở ứng dụng trong bộ nhớ flash có thể ghi vào giao diện I2C của thiết bị để tối ưu hóa điện áp lõi khi hệ thống chạy.
Bộ nhớ lập trình một lần (OTP): OTP là giải pháp hiệu quả về chi phí, đáng tin cậy cho các sản phẩm có dung lượng lớn cần khởi động ở cài đặt được tối ưu hóa. Tuy nhiên, phương pháp này có thể yêu cầu nhà cung cấp vi mạch tạo một số bộ phận duy nhất cho mỗi ứng dụng. Ví dụ: MPS MP8859 là một bộ chuyển đổi buck-boost 4 công tắc với giao diện I2C và bộ nhớ OTP có thể đặt điện áp đầu ra, dòng điện tối đa, tần số chuyển mạch và hành vi khôi phục lỗi. Có sẵn chương trình giao diện người dùng đồ họa (GUI) để chọn các giá trị đăng ký tối ưu hóa hiệu suất trong ứng dụng của người dùng. Sau khi đã xác định được tập hợp đầy đủ các giá trị thanh ghi, chúng có thể được lưu trữ vĩnh viễn bằng cách sử dụng GUI để ghi vào OTP. Sau đó, các giá trị được lưu trữ này trở thành giá trị khởi động mặc định cho các sổ đăng ký, mặc dù phần mềm ứng dụng của hệ thống đích vẫn có thể thay đổi các sổ đăng ký thông qua giao diện I2C sau khi khởi động. Khi nhà thiết kế đã xác định các giá trị đăng ký mặc định mong muốn trong quá trình phát triển sản phẩm cuối, những giá trị đó có thể được ghi vào bộ nhớ OTP của bộ chuyển đổi tại thời điểm sản xuất, tiết kiệm một bước cho người dùng
Bộ nhớ không bay hơi (NVM): NVM cung cấp tính linh hoạt cao nhất, nhưng với chi phí cao hơn. Người dùng cũng phải biết về loại bộ nhớ được sử dụng để thực hiện NVM. Bộ nhớ flash được sử dụng rộng rãi ở tính bằng μC, nhưng có thể suy giảm nhanh chóng khi hoạt động ở nhiệt độ cao, đây thường là mối lo ngại đối với bộ chuyển đổi nguồn. Vì lý do này, các công ty như MPS không sử dụng bộ nhớ flash trong sản phẩm của họ. Ưu điểm của NVM là các giá trị thanh ghi có thể được lưu vào NVM nhiều lần. Điều này có nghĩa là phần cứng có thể được chuẩn bị và kiểm tra nhiều lần như thể nó đang được lắp ráp / sản xuất dưới dạng phần cứng mới. Trong những trường hợp này, người dùng nên lưu trữ thông tin cấu hình trong quá trình phát triển sản phẩm chính xác như trong quá trình sản xuất số lượng lớn.
Các IC chuyển đổi không có bộ nhớ cố định thường không tuân theo các tiêu chuẩn của PMBus đối với các định nghĩa thanh ghi, điều này giảm thiểu chi phí cho các thanh ghi cấu hình của chúng. Chỉ với một số thanh ghi được tối ưu hóa trong các thiết bị như vậy, người dùng có thể quản lý nỗ lực phát triển chương trình cơ sở để đọc và ghi vào các thanh ghi không chuẩn này. Tuy nhiên, việc phát triển phần sụn để giao tiếp với một thiết bị có hàng chục cấu hình độc đáo và thanh ghi giám sát có thể khó khăn, vì vậy việc xác định thanh ghi theo tiêu chuẩn PMBus có thể rất có giá trị.

Việc thêm tính năng điều khiển và giao tiếp kỹ thuật số vào bộ chuyển đổi điện năng cho phép tích hợp tốt hơn các thiết bị này vào các hệ thống điện tử hiện đại bằng cách hợp lý hóa thiết kế hệ thống, tăng tính linh hoạt và độ tin cậy. Tuy nhiên, cách tốt nhất để đạt được những lợi ích của các tính năng này là kỹ sư thiết kế phải tự làm quen với các cách tiếp cận khác nhau đối với thiết kế bộ chuyển đổi với giao diện kỹ thuật số và điều khiển, cũng như danh pháp cụ thể của các thiết bị này. Hiểu các tiêu chuẩn truyền thông và sự cân bằng liên quan đến việc tuân theo chúng sẽ giúp các nhà thiết kế lựa chọn sự kết hợp phù hợp giữa chi phí và tính linh hoạt trong một sức mạnh.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here