基于PMBus和VID技术的电源电路设计

摘要：针对高速嵌入式系统对自动调节输出电压的电源系统的需求，本文采用PMBus总线为电源芯片之间，电源芯片和控制器之间的通信提供标准，通过重点分析基于PMBus总线的数字可编程电源的内部结构和电压识别的技术实现方法，设计了一支持电压识别(VID)技术的带两路独立电压输出的数字可编程电源系统。经PMBus总线进行配置后，该电源系统可以满足高速嵌入式系统的多种电压需求，取得了良好的效果。
关键词：PMBus；电压识别(VID)技术；开关电源；数字可编程电源

随着高性能嵌入式系统的不断发展，传统的通过无源器件产生的模拟信号来进行设置和控制输出电压，启动时间的DC／DC转换器已经难以满足高性能嵌入式系统的用电需求。嵌入式系统的自适应电源管理方案需要在系统的运行过程中根据系统的运行状况实时改变电源的输出电压，上电次序，然而这些功能存传统的DC／DC电源管理方案巾是难以实现的。在这种背景下，数字可编程电源成为了最佳的选择。而PMBus的出现为动态电源系统之间的通信提供了一个标准。同时，PMBus总线标准推动了电压识别技术的发展，通过PMBus总线可以方便的对支持电压识别技术的电源芯片进行在线编程和配置。
PMBus总线技术从IIC总线发展而来，包括两个从IIC总线继承而来的基本信号SCL(时钟信号)和SDA(数据信号)，两个辅助信号ALTR#信号和CTL信号可分别用来响应主控制器和关闭PMBus电源芯片的输出。

1 基于PMBus的电源芯片内部结构
基于PMBus的电源芯片主要由模拟前端，补偿滤波器，脉宽调制波产生器和一个内部的控制器组成。模拟前端主要接收输出电压的反馈信号和电源芯片内部设置的输出电压进行比较，将比较的结果通过补偿滤波器进行处理得到脉冲宽度调制波需要调整的大小，并通过脉宽调制波产生器产生脉宽调制波来驱动电源驱动器，最终通过电源驱动器产生输出电压。

1．1 模拟前端
模拟前端需要将输出电压的反馈电压和电源芯片内部的参考电压进行比较，参考电压决定了输出电压的大小。当电源芯片支持电压识别技术，其参考电压由负载芯片的VID信号决定。当电源芯片不接受来自电压使用芯片的VID电压反馈信号时，输出电压由PMBus命令VOUT_COMM AND，VOUT_CAL_OFFSET，VOUT_SCALE_LOOP和VOUT_MAX决定。图3显示了以上命令和参考电压之间的关系。

模拟前端主要包括电压比较器和和一个模数转换器。电压比较器主要用于比较输出电压反馈信号和参考电压，其输出的值是两个电压的差值。模数转换器将这一差值转换为数字信号交由补偿滤波器进行处理。
1．2 补偿滤波器
补偿滤波器的传递函数具有两个零点，极点的函数，为可以表述为：

为了设计方便，补偿滤波器的函数可以表述为零点和极点的形式，假设传递函数的零点为ωz1和ωz2，极点为ωp1，ωp2其中ωp1=0

式(6)为补偿滤波器的表现形式，当确定了极点，零点的大小，代入式(4)和式(5)分别得到b0，b1，b2和a0，a1，a2。补偿滤波器的系数的设置直接影响了电源的性能，因此，电源芯片厂商设计的电源芯片配置软件一般都具有根据设计的电路图和所需电压特性来自动计算滤波器系数的功能。
1．3 脉冲宽度调制波产生器
补偿滤波器计算了所需要输出的脉冲宽度调制波的占空比。脉冲宽度调制波产生器将这一占空比和开关转换频率的周期相乘，得到在一个脉冲周期内，脉冲宽度调制波输出为高电平的时间。
一般的这一值可以用下式计算得到：
Thigh=Vout／Vin
其中，Vout为最终的输出电压，Vin为电源驱动的输入电压。
1．4 电压识别技术
在电源电路的设计中，采用可编程芯片的一个主要目的是为了实现电压识别技术。作为降低系统功耗的一项重要措施，电压识别技术(VID)现已广泛应用于高速嵌入式系统。电压识别技术指利用被供电芯片产生的反馈信号，电源芯片实时调整供电电压，以降低功耗。文献提供了一种电压识别技术的实现方法，其利用VID反馈信号，设计了一种基于电阻分压网络的电源电路，如图4所示。VID信号控制MOS管的开关状态来选择串接的电阻，电压输出芯片根据串接电阻的阻值提供不同的供电电压。

但是这一电源电路虽然实现了对供电电压的实时调节，但是其输出的电压的精度容易受电阻精度的影响。且工作模式单一，当需要调整电压输出范围时，只能通过更换电压输出芯片来满足新的设计要求。文献设计了一种支持电压识别技术的DC／DC电源控制器，其支持8 bit电压识别模式，通过反馈得到的VID数据计算得到占空比，占空比信号通过驱动电路加载到MOS管，控制其导通和断开的时间，从而得到所需要的输出，降低了输出