数字电源监控和遥测

数字电源器件在启动和关断之间做什么？两个核心功能是监督和遥测。监控是一种快速作用的安全功能，可防止损坏设备和/或负载。遥测是一项持续的质量管理功能。

在这篇文章中，我们将研究一个典型的POL内部架构，并考虑它对电源系统设计的影响。

POL 内部结构

图 1 显示了包含三个主要模块的简化 POL：

　　Supervisor

　　Monitor

　　Digital Processing Unit

数字处理单元是大脑。（不显示的是核心功率转换。数字处理单元负责处理PMBus和控制输入，并断位POWER_GOOD和故障/。

大多数设备都有其中的几个，但为了简单起见，我们可以坚持输入和输出。

图1.POL 结构

监督

监控是一个快速作用的单比较器或窗口比较器。通常，输出绕过数字处理单元中的状态机，可以直接停止电源转换并置位FAULT/。之后更新数字处理单元，以便PMBus主机可以查询设备的故障寄存器。

监控器的目的是保护负载和设备，因此它以一定的精度换取速度。HI/LO 值通常存储在 NVROM 中，或由 PMBus 通过 VOUT_UV_FAULT_LIMIT 等命令进行编程。故障行为也存储在 NVROM 中，包括重试、重试延迟等。

监测

监控是通过ADC进行的高精度测量。数字处理单元通常作为状态机或软件环路实现，用于轮询ADC输出数据并由PMBus提供。监控数据还可以用于非常精确的数字处理单元伺服回路中，以提高输出精度。

故障

故障可能来自管理引擎或监视器。对于监控器，DAC提供比较器的基准，输出直接馈送到FAULT/引脚。对于监视器，数字处理单元使用数字比较器或软件条件指令向数字处理单元发送FAULT/引脚。

权衡取舍

POL 设计人员做出的权衡非常简单。安全性决定了哪些输入和输出具有监控器。监控权衡涉及精度，因为ADC占用空间和功耗，以及通道数量、多路复用器等。

作为系统设计人员，必须考虑他们的系统将使用数据做什么，以及数据的准确性。例如，典型用途是：

系统启动和调试

效率监控

能源监控

故障预测

优化（本地和全局）

精度增强（伺服）

例子

每个电源架构都是不同的，并且没有一套通用的权衡，因此我将提供一些使用主管和监视器来发挥您的想象力的示例。此外，一旦你看到什么是可能的，你可能会发现竞争优势。

管理引擎故障生成示例

本示例来自 LTC2974，这是一款管理四个 POL 的监控器 / 监视器器件。输出电压（它负责的POL）具有基于窗口比较器的监控器。

图2.管理引擎生成的故障

跟踪 4 是器件的 FAULT/ 引脚，跟踪 3 是器件的 ALERT/ 引脚。我将输出短路到地面。在此设备上，接地和故障/变低之间的延迟约为 12us。不久之后，我们也会收到警报/拉低。这些非常快，因为监控器绕过监控较慢的ADC所涉及的所有状态机，并直接产生故障。它还停止了电源转换。

查看 PMBus，PMBus 主机执行了警报响应地址 （ARA） 事务。地址 0 × 0C 放置在总线上，故障设备将 0 × 64 放在总线上。主机将此右移位，以获取地址 0 × 32。然后，主机通过在总线上放置地址 0 × 32，后跟命令字节 0 × 79 来读取故障寄存器。然后在总线上重复以地址 0 × 32 开头，并返回两个数据字节，状态字为 0 × 8041。

图3.错误字位

查看此器件的数据表，它显示了欠压故障。

我们还可以使用显示设备寄存器和状态的外部工具来查看这一点。

图4.故障状态

还记得我在第二篇文章中介绍的使用模型吗？

管理引擎导致支持两种模型的故障。它可以由 PMBus 或外部工具处理。

注意：我们将在以后的文章中看到它的实现，但基本上 ALERT/ 引脚与微控制器中断相关联。

温度监测示例

许多器件可以通过二极管监控内部芯片温度和外部温度。在本例 （LTC3880） 中，我有一个通过 PMBus 监控电源轨的电路板管理器，并具有一个 LCD 触摸屏显示器。

图5.温度监测

遥测图显示了内部芯片温度。当我将手指放在设备上并且它冷却下来时，图表中的下降发生了。图中的最小值和最大值分别为 30 度和 40 度。您可以看到测量非常好。

该设备将使用此温度来保护自己，但也可用于检测更细微的问题。如果添加 I2C温度监控器件和PCB周围放置传感器，在传感器和所有PMBus器件之间，可以得到相当好的电路板轮廓。您可以使用它通过控制负载来平衡温度，表征不同负载下的系统，或者只是向系统操作员发送警告消息，以便他们可以更换电路板并将其送去维修。

为了提高效率，也可以这样做。通过测量输入和输出电压及电流，您可以动态计算功率效率，并通过转移工作负载来使用这些信息进行系统优化，以使转换器更接近其最佳效率。您还可以查找可能在问题发生之前检测到问题的非典型模式。董事会经理通常具有通信接口，可以为您发送这些通知。

自治系统与托管系统

我想将这些性能参数放在使用模型的上下文中：

在我的第一篇文章中，我介绍了两种使用模型：

配置和部署

监控和行动

描述这些的另一种方法是自治系统与托管系统。自主系统是指电源转换器上电并完全独立于 PMBus 运行的系统，与模型 1 非常相似。受管系统主动使用 PMBus，与模型 2 非常相似。

这些模型具有不同的性能影响。PMBus有自己的性能，受到400Khz（典型）总线时钟的限制。监控性能与PMBus无关，无论是作为模拟比较器和直接逻辑实现，还是在数字处理单元中实现较慢的逻辑。

在托管系统（如 Monitor 和 Act）中，Act 部分具有与自治系统相同的性能，直到 PMBus 处于主机的决策循环中。一旦主机必须读取遥测数据并对设备应用一些功能或参数更改，性能通常就会受到 PMBus 的限制。

受管系统性能在性质上也有所不同，因为主机必须管理多个轨，其中的数量取决于系统体系结构。假设读取一个值并更改一个值作为响应需要 200uS（400kHz 总线）。假设我在主机的控制回路中有 10 个电源轨，现在我有 2mS。现在，添加一些我2用于监测温度的C芯片。在主机中添加与PMBus无关的其他功能，最终系统的响应时间比数字处理单元慢。此外，如果您以 100kHz 运行总线，因为一些较慢的 I2C设备，事情变得更慢了。

正是出于这个原因，使用了混合使用模型，其中关键功能全部由数字处理单元（和快速监控器）处理，不依赖于PMBus，而能耗和故障预测等更高级别的功能由PMBus主机处理。

出于同样的原因，当不需要更高级别的功能时，设备本身就可以正常工作，而PMBus是配置工具的推动者。特别是，PMBus工具对于电路板启动非常有用。工具以仪表板格式显示系统所有轨的状态：遥测、故障和设置。

回顾

大多数数字电源设备都有监控器和监视器。我将主管描述为快速作用的安全装置，将监视器描述为遥测的采样装置。这是一种方便的分类方法，但要小心术语，尤其是关于主管和故障的术语。有时，“Supervisor”一词应用于使用来自监视器的数据的故障生成技术，然后它通常比比较器具有更大的延迟。

这没有错。如果设备已经需要监视器，并且不需要超快地发生故障，为什么还要为不需要的比较器和逻辑付费呢？只需阅读数据手册并仔细查看其框图，即可了解器件的行为方式。芯片设计师非常擅长做出权衡，但只有您可以确认它们适用于您的应用。但一般来说，你会发现如果是安全问题，就会有比较器，如果是精度问题，就会有高精度ADC。

虽然主管的使用非常明显，但显示器有时被低估了，直到您希望拥有它们。很容易专注于调整电源轨尺寸、考虑瞬态响应和所有其他模拟行为，而不考虑系统级机会。但是，一旦您拥有 PMBus 及其所有控件、用于存储设置的 NVMRAM 和用于配置的软件工具，请考虑您可以如何处理实时数据。只要多付出一点努力，您就可以找到竞争优势。您也不必预先实施所有固件。固件的好处是您无需更改硬件即可升级它。

审核编辑：郭婷