葉琳娜，賀雅娟，張子驥，張 波，甄少偉

（電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都610054）

1 引 言

隨著電源管理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的電源芯片已經(jīng)難以滿足高性能嵌入式系統(tǒng)的供電需求。嵌入式系統(tǒng)的自適應(yīng)電源管理方案需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)改變電源的輸出電壓和上電次序，然而這些功能在傳統(tǒng)的DC/DC 電源管理方案中是很難實(shí)現(xiàn)的。在這種背景下，數(shù)字可編程電源成為了最佳的選擇。而PMBus 的出現(xiàn)為電源芯片內(nèi)各個(gè)關(guān)鍵模塊之間的通信提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，PMBus 總線推動(dòng)了數(shù)字電源技術(shù)的發(fā)展，通過PMBus 總線可以在工程中方便的對(duì)電源芯片進(jìn)行在線編程和配置。故此對(duì)PMBus 總線控制器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了介紹。

2 數(shù)字電源及相關(guān)原理

2.1 數(shù)字電源概述

“數(shù)字電源”定義為數(shù)字控制的電源產(chǎn)品，可提供配置和監(jiān)控功能，甚至擴(kuò)展到全數(shù)字環(huán)路控制。它包括兩個(gè)不同的技術(shù)領(lǐng)域。其一為“數(shù)字控制”，即電源開關(guān)的實(shí)時(shí)、逐周期控制；另一個(gè)是“數(shù)字電源管理”。圖1 顯示了具有PMBus 協(xié)議的多POL 電源管理系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)基于物理傳輸層SMBus 協(xié)議。在系統(tǒng)中，每個(gè)POL 都在其自己的數(shù)字環(huán)路下進(jìn)行控制，系統(tǒng)主機(jī)通過SMBus 管理多個(gè)POL。數(shù)字電源管理可包括開關(guān)頻率調(diào)整，電壓裕度監(jiān)測(cè)，電壓、電流、溫度監(jiān)控和保護(hù)等功能。

圖1 總線概念圖

2.2 PMBus 總線概述

PMBus 總線是數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器的電源管理總線標(biāo)準(zhǔn)，于2004 年由電源和半導(dǎo)體公司聯(lián)合開發(fā)，用于與DC / DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信，之后擴(kuò)展專用的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）總線，用于控制處理器電壓。總線包括一組用于控制和監(jiān)控連接到總線的電源轉(zhuǎn)換器的命令。例如，可以配置變化的輸出電壓的上升和下降時(shí)間。這已經(jīng)成為工業(yè)中用于配置功率轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)總線。通過為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PMBus，可以最小化組件數(shù)量和功耗，以及在正常操作期間調(diào)節(jié)功率，使得實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)省電方案變得容易[2-3]。

該協(xié)議基于由廣泛使用的Inter-IC 總線（I2C總線）擴(kuò)展而來的物理傳輸層系統(tǒng)管理總線（SMBus總線）[4-6]，為了給功率控制提供更多功能，PMBus 成為電源管理系統(tǒng)中總線的絕佳選擇。PMBus 具有雙向數(shù)據(jù)線（SDA）和雙向時(shí)鐘線（SCL）。雙向數(shù)據(jù)線使得在進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，從機(jī)都會(huì)確認(rèn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)送最大255 字節(jié)的較大數(shù)據(jù)塊。

自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)總線（AVSBus）是PMBus 的補(bǔ)充，它提供負(fù)載點(diǎn)（POL）電壓控制器和負(fù)載之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路。其主要應(yīng)用是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)控制處理器電壓，以提高能效。總線使用雙線接口（TWI）和類似于PMBus 的協(xié)議。

3 PMBus 總線控制器設(shè)計(jì)

基于PMBus 協(xié)議，在此設(shè)計(jì)一種兼容I2C 總線的控制器，該控制器連接串行PMBus 總線，由狀態(tài)機(jī)控制，滿足PMBus 協(xié)議的時(shí)序要求，配置為從機(jī)模式，從PMBus 總線收發(fā)數(shù)據(jù)以及對(duì)主控制器做出相應(yīng)的中斷和響應(yīng)。采用Verilog HDL 語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以便將該控制器易于與基于AMBA 總線的CPU集成，拓展其應(yīng)用范圍[7]。

總線控制器整體系統(tǒng)框架如圖2 所示。

圖2 總線控制器系統(tǒng)圖

3.1 設(shè)計(jì)框架

整個(gè)設(shè)計(jì)包含從機(jī)模式的時(shí)序模塊、功能模塊、控制模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊，以及相應(yīng)的頂層互連模塊。從機(jī)的時(shí)序模塊用于完成與SMBus 相同的地址檢測(cè)，從MSB 到LSB 接收命令和傳輸高低字節(jié)數(shù)據(jù)，以及SMBALERT 中斷。從機(jī)的功能模塊處理傳輸過程中可能發(fā)生的故障，如PMBus 從機(jī)太忙，無法接受并處理通過總線發(fā)送給它的命令，接收到的命令和高低字節(jié)無效，讀或?qū)懱嘧止?jié)或太少字節(jié)，過溫、過壓、過流的故障處理等。主機(jī)的控制模塊狀態(tài)機(jī)向從控制器發(fā)送起始幀、停止幀、地址、數(shù)據(jù)及相應(yīng)的中斷控制信號(hào)。主機(jī)的信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)所需的時(shí)鐘及數(shù)據(jù)。

3.2 PMBus 從機(jī)時(shí)序模塊

PMBus 從機(jī)時(shí)序模塊狀態(tài)圖如圖3 所示。檢查時(shí)鐘和數(shù)據(jù)是否有表示相應(yīng)上升沿和下降沿的電平、開始及停止條件，檢測(cè)到開始幀時(shí)從機(jī)置于忙碌狀態(tài)，時(shí)鐘下降沿開始計(jì)數(shù)。從機(jī)產(chǎn)生中斷時(shí)由于具有警報(bào)相應(yīng)地址（ARA = 7'b0001100）,中斷保持至主機(jī)向其發(fā)送ARA 地址時(shí)響應(yīng)清除。

圖3 時(shí)序模塊狀態(tài)圖

3.3 PMBus 從機(jī)功能模塊

該模塊根據(jù)PMBus 協(xié)議中指定的相關(guān)命令從主機(jī)中讀取電壓、電流、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)忙碌狀態(tài)響應(yīng)，檢查接收命令及高低字節(jié)的有效性，檢查讀寫位數(shù)過多或過少的功能，對(duì)過壓、過流和過溫設(shè)置和清除警告位。所支持的PMBUS 命令如表1所示。

首先，如果數(shù)據(jù)傳輸正在進(jìn)行中，則輸出電壓、輸出電流、溫度、輸入電壓值保持不變，否則更新數(shù)據(jù)。檢查命令是否有效，如果收到開始或停止信號(hào)，則內(nèi)部命令無效。如果收到地址非ARA 地址且收到命令非表2 中命令，則內(nèi)部命令有效。檢查高位數(shù)據(jù)字節(jié)是否有效。如果收到VOUT_COMMAND 命令且高位數(shù)據(jù)字節(jié)值大于VOUT_MAX，則內(nèi)部高位數(shù)據(jù)字節(jié)有效，如果收到開始或結(jié)束信號(hào)，則內(nèi)部高位數(shù)據(jù)字節(jié)有效寄存器無效。最后檢查低位數(shù)據(jù)字節(jié)是否有效，如果收到SMBALERT_MASK 命令且收到的低位數(shù)據(jù)字節(jié)值不為STATUS_VOUT，STATUS0_IOUT，STATUS_ INPUT，STATUS_TEMPE RATURE，STATUS_CML 以及1'b1，則內(nèi)部低位數(shù)據(jù)字節(jié)有效，如果收到開始或結(jié)束信號(hào)，則內(nèi)部低位數(shù)據(jù)字節(jié)無效。

表1 支持的PMBUS 命令

如果收到主控制器寫的數(shù)據(jù)字節(jié)過多，則表示太多字節(jié)被寫，太多字節(jié)被讀保持不變。如果主控制器讀的字節(jié)過多，則太多字節(jié)被寫保持不變，太多字節(jié)被讀。如果收到開始或結(jié)束信號(hào)，則無太多字節(jié)被寫或太多字節(jié)被讀。檢查被送的字節(jié)是否太少。如果在收到地址、命令、低位字節(jié)及高位字節(jié)的過程中停止或仲裁無效或無重復(fù)開始就寫字節(jié)，則太少字節(jié)被寫。

如果收到開始或結(jié)束信號(hào)，則太少字節(jié)被寫無效。檢查主控制器是否無重復(fù)開始就讀字節(jié)，如果收到地址非ARA 地址后正在傳輸數(shù)據(jù)且無重復(fù)開始就讀字節(jié)，則無重復(fù)開始就讀字節(jié)有效。如果收到開始或結(jié)束信號(hào)，則無效，其他情況狀態(tài)位保持不變。設(shè)置通信錯(cuò)誤狀態(tài)和清除輸出電壓過壓狀態(tài)。在以下兩種情況清除輸出電壓過壓狀態(tài)，第一種，收到結(jié)束信號(hào)，且收到STATUS_VOUT 命令，低位字節(jié)的第7 位為1'b1，通信有效，地址的第0 位為1'b1。第二種，收到結(jié)束信號(hào)，且收到CLEAR_FAULTS 命令，收到地址非ARA 地址，且通信有效。其他情況不清除。

其次設(shè)置輸出電壓過壓故障位，該位將進(jìn)入STATUS_VOUT 的第7 位。如果輸出電壓過壓且不清除，則故障位有效，如果清除位有效，則故障位無效。然后用斷言SMBALERT 掩模輸出電壓過壓。如果收到結(jié)束信號(hào)和SMBALERT_MASK 命令，低位數(shù)據(jù)字節(jié)為STATUS_VOUT，且通信有效，則設(shè)高位數(shù)據(jù)字節(jié)第7 位掩模輸出電壓過壓。存儲(chǔ)STATUS_VOUT 的掩碼字節(jié)。如果收到SMBALERT_MASK 命令且收到低位字節(jié)數(shù)據(jù)為STATUS_VOUT，則將高位字節(jié)數(shù)據(jù)設(shè)為存儲(chǔ)STATUS_VOUT 的掩碼字節(jié)。接著清除輸出電流過流狀態(tài)。在以下兩種情況清除輸出電流過流狀態(tài)，第一種，收到結(jié)束信號(hào)，且收到STATUS_IOUT 命令，低位字節(jié)的第7 位為1，通信有效，地址的第0 位不為1'b1。第二種，收到結(jié)束信號(hào)，且收到CLEAR_FAULTS 命令，收到地址非ARA 地址，且通信有效。輸出電流過流故障位、輸入電壓欠壓故障位、輸入過溫故障位與此定義方法類似。

設(shè)置命令有效信號(hào)狀態(tài)寄存器。如果內(nèi)部命令有效且清除內(nèi)部命令無效，則命令有效。如果清除內(nèi)部命令有效，則命令無效。其他情況狀態(tài)保持不變。數(shù)據(jù)有效信號(hào)狀態(tài)寄存器、其他錯(cuò)誤信號(hào)狀態(tài)寄存器的設(shè)置方法與此類似。設(shè)置命令有效警報(bào)掩模寄存器。如果收到結(jié)束信號(hào)，且收到SMBALERT_MASK 命令，且低位數(shù)據(jù)字節(jié)為STATUS_CML，則命令有效警報(bào)掩模寄存器設(shè)為高位數(shù)據(jù)字節(jié)的第7位。其他情況狀態(tài)保持不變。數(shù)據(jù)有效警報(bào)掩模寄存器、其他錯(cuò)誤警告掩模寄存器、存儲(chǔ)STATUS_CML掩模字節(jié)的方法與此類似。

如果檢測(cè)通信/數(shù)據(jù)錯(cuò)誤位狀態(tài)寄存器的上升沿/檢測(cè)輸出電壓過壓故障信號(hào)的上升沿/檢測(cè)輸出電流過流故障信號(hào)的上升沿/檢測(cè)輸入電壓欠壓故障信號(hào)的上升沿/檢測(cè)輸入過溫故障信號(hào)的上升沿有效，且清除中斷信號(hào)無效，則中斷信號(hào)有效，若清除中斷信號(hào)有效，則中斷信號(hào)無效，其他情況中斷信號(hào)保持不變。設(shè)置狀態(tài)字節(jié)和STATUS_OTHER 位。判斷如果收到停止信號(hào)且收到VOUT_COMMAND 命令且通信有效，若高位數(shù)據(jù)字節(jié)值小于VOUT_MAX，則將高位數(shù)據(jù)字節(jié)值賦于內(nèi)部存儲(chǔ)VID 碼的寄存器，否則該寄存器保持原值。

最后，查看寫到主機(jī)的命令。如果命令有效或無重復(fù)開始就讀字節(jié)狀態(tài)有效且其他錯(cuò)誤信號(hào)以前的值有效，則寫內(nèi)部低位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為8'd255，寫內(nèi)部高位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為8'd255。否則，當(dāng)處于讀命令狀態(tài)時(shí)，如果收到VOUT_COMMAND 命令，寫內(nèi)部低位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為8'd0，寫內(nèi)部高位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為內(nèi)部存儲(chǔ)VID 碼的寄存器。如果收到READ_VOUT 命令，寫內(nèi)部低位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為8'd0，寫內(nèi)部高位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為輸出電壓值。輸出電流值、溫度值、輸入電壓值、狀態(tài)字節(jié)的存儲(chǔ)方法與此類似。 如果收到STATUS_VOUT 命令，寫內(nèi)部低位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為輸出電壓過壓故障位，寫內(nèi)部高位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為8'd255。輸出電流過流故障位、輸入電壓欠壓故障位、輸入過溫故障位、命令有效信號(hào)狀態(tài)，數(shù)據(jù)有效信號(hào)狀態(tài)寄、其他錯(cuò)誤信號(hào)狀態(tài)、STATUS_OTHER 信號(hào)的存儲(chǔ)方法類似。如果收到SMBALERT_MASK 命令，高位數(shù)據(jù)字節(jié)為STATUS_VOUT，則寫內(nèi)部低位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為8'd1，寫內(nèi)部高位數(shù)據(jù)字節(jié)的寄存器為存儲(chǔ)STATUS_VOUT的掩碼字節(jié)。其他命令如STATUS_IOUT、STATUS_IOUT、STATUS_INPUT、STATUS_VIN 等的存儲(chǔ)方式與STATUS_VOUT 類似。

4 仿真測(cè)試平臺(tái)及版圖設(shè)計(jì)

為確保PMBus 總線控制器功能和時(shí)序的正確性，通過Synopsys 公司的EDA 仿真平臺(tái)對(duì)從控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證和相關(guān)功能分析。在驗(yàn)證從控制器的功能時(shí)，設(shè)計(jì)搭建主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。一共有兩次中斷被觸發(fā)，第一次讀VOUT=16'hfc(252d)，第二次讀TEMP=16'h7f(127d),第三個(gè)觸發(fā)中斷，用ARA=00011000 的方式清除，如圖4 所示。清除后讀一組VIN=240d，應(yīng)讀出16'hf0，然后再觸發(fā)一次中斷，再用CLEAR_FAULTS 清除,cmd 對(duì)應(yīng)8'h03，如圖5 所示，即表示已清除。

圖4 觸發(fā)中斷并用ARA 的方式清除中斷

圖5 再次觸發(fā)中斷、以CLEAR_FAULTS 命令清除中斷

為驗(yàn)證是否已經(jīng)清除，重讀一組VOUT=16'hfc(252d)，然后進(jìn)入default，一直讀VIN=16'hf0(240d)。

最終，采用SMIC 0.18μm 的工藝平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字集成電路物理設(shè)計(jì)，完成6 層金屬布局布線，大小為200μm×200μm，并通過后仿驗(yàn)證功能的正確性[8-9]。完成的版圖如圖6 所示。

圖6 PMBus 總線控制器版圖

5 結(jié) 束 語

基于PMBus 協(xié)議完成了一種從控制器的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。采用模塊化設(shè)計(jì)，便于功能拓展與集成，編寫的Verilog HDL 代碼是可綜合的，且與AMBA 總線兼容。控制器實(shí)現(xiàn)了PMBus 協(xié)議的基本功能，符合協(xié)議的時(shí)序要求，節(jié)省了硬件資源，為數(shù)字電源提供良好的拓展空間。