[数字电源系列文章]数字电源监视和遥测

在启动和停机之间，数字电源器件起什么作用呢？两种核心功能是监控和遥测。监控是一种快速动作安全功能，其可防止器件和/或负载受损。遥测是一种持续的质量管理功能。《Bodo's Power Systems》杂志近期的一则广告，罗列了上述两种功能对于数字电源有以下好处：

● 优化

● 预见性维护

● 故障检测

在这我们来看看一种典型的POL内部架构，并研究其对电源系统设计的影响。

POL内部架构

图1示出了具有3个主要功能块的简化POL。

● 监控器

● 监视器

● 数字处理单元

数字处理单元是“大脑”（未示出的是内核电源转换）。数字处理单元负责处理PMBus和CONTROL输入，并把POWER_GOOD和FAULT/置为有效。

大多数器件都具有多个这样的POL，不过为简单起见，我们可以插入输入和输出。

图1：POL结构

监控

监控电路是一个快速动作的单通道比较器或窗口比较器。一般地，输出会绕过数字处理单元中的状态机，并能直接阻止电源转换并把FAULT/置为有效。数字处理单元之后被更新，这样PMBus主机便能查询器件的故障寄存器。

监控器的用途是保护负载和器件，因此它会通过适当牺牲准确度来换取速度的提升。HI/LO数值通常存储于非易失性只读存储器(NVROM)之中，或者由PMBus通过诸如VOUT_UV_FAULT_LIMIT等命令来编程。另外，故障行为特性也被存储在NVROM中，并且包括像“重试”、“重试之间的延迟”等。

监视

监视是一种通过ADC实现的高准确度测量。数字处理单元通常作为一个状态机或软件环路(其负责轮询ADC输出数据并使之可为PMBus所用)来实现。此外，监视数据也可在一个非常准确的数字处理单元伺服环路中使用，以改善输出准确度。

故障

故障会因监控器或监视器而起。对于监控器，DAC给比较器提供一个基准，而输出则直接馈电至FAULT/引脚。而对于监视器，数字处理单元采用一个数字比较器或者至数字处理单元FAULT/引脚的软件条件指令。

权衡折衷

POL设计师所做的折衷相当直观明了。安全性规定了哪些输入和输出具有监控器。监视方面的权衡则涉及准确度(因为ADC占用电路板面积资源且消耗功率)、以及通道的数目和多路复用器等。

作为系统设计师，他必须考虑其系统使用数据的目的、以及它必须具有多高的准确度。例如，典型用途如下：

● 系统开发与运行状况检验和调试

● 效率监视

● 能耗监测

● 故障预测

● 优化(局部和全局)

● 准确度提升(伺服)

实例

每种电源架构都有其与众不同之处，并不存在一组通用的折衷，因此我准备举几个采用监控器和监视器的实例以启发您的想象力。此外，当了解到相关的可能性时，您或许会发现一种竞争优势。

监控器故障发生实例

该实例取自LTC2974，这款监控/监视器件可管理4个POL。其所负责的一个POL的输出电压具有一个基于窗口比较器的监控器。

图2：监控器产生的故障

扫迹4是该器件的FAULT/引脚，而扫迹3则是该器件的ALERT/引脚。我把输出短路至地。在该器件上，接地与FAULT/电平走低之间的延迟大约为12μs。在非常短的时间之后，我们还使一个ALERT/拉至低电平。这些都是非常快速的，因为监控器绕过了监视较慢ADC所需的全部状态机，并直接产生故障。另外，它还停止了电源转换。

来看一下PMBus，PMBus主机完成了一项报警响应地址(ARA)事务。地址0x0C被置于该总线上，而出故障的器件则把地址0x64放在总线上。主机将此右移一位以获得地址0x32。接着，主机通过把地址0x32放置在总线上(后随命令字节0x79)来读取故障寄存器的存储信息。然后，一个具有地址0x32的重复起动信号被置于总线上，并送回两个数据字节以提供一个0x8041的状态字。

图3：故障字位

查看该器件的数据表，其指出将发生欠压故障。

另外，我们也可以利用一种外部工具对此进行观察，该工具可显示器件的寄存器和状态。

图4：故障状态

还记得我的另一篇文章中提出的使用模型吗?

监控器引起了一个支持两种模型的故障。其可由PMBus或一种外部工具来处理。

(注：我们将在今后的文章中看到这种设计的实现方案，但基本上ALERT/引脚连接至一个微控制器中断。)

温度监视实例

许多器件都能够利用一个二极管来监视内部芯片温度和外部温度。在本例中(LTC3880)，我有一个电路板管理器，其负责通过PMBus来监视电源轨，并具有一个LCD触摸屏显示器。

图5：温度监视

遥测曲线图示出了内部芯片温度。当我把手指放在器件上而且它冷却时，曲线图中出现了凹陷。曲线图上的最小值和最大值分别为30℃和40℃。由图可见，测量结果相当不错。

器件将采用这种温度监视电路来保护自身，但其亦可用于检测更加细小的问题。如果您添加一个