Sfruttare le opportunità del PMBus

GESTIONE POTENZA –

Il protocollo aperto PMBus favorisce la diffusione di sistemi per la conversione di potenza programmabili, mettendo a disposizione degli architetti di sistema una piattaforma semplice, robusta e flessibile che comunica perfettamente con ogni componente del sistema di potenza.

L’avvento di convertitori di potenza a controllo digitale che integrano sottosistemi per la gestione della potenza e risorse di comunicazione basate su PMBus semplificano l’assemblaggio di sistemi hardware sofisticati adatti all’uso in un’ampia gamma di applicazioni di alimentazione distribuita. La capacità di monitorare lo stato di un dominio di potenza e di regolare con precisione la configurazione in tempo reale sono elementi di fondamentale importanza per l’implementazione di schemi di risparmio energetico particolarmente utili per tutti quei sistemi che devono gestire oscillazioni del carico di notevole entità, come quelli presenti nelle centrali telecom e datacom. Un semplice package Pc-compatibile, corredato da una Gui (Graphical User Interface), semplifica notevolmente il lavoro di sviluppo software, consentendo in tal modo agli utenti di valutare configurazioni alternative per la conversione di potenza.
Grazie all’utilizzo di un hardware fisico a basso costo come quello di SMBus e a un insieme di comandi standard ottimizzati per la conversione di potenza, PMBus mette a disposizione degli architetti di sistema una piattaforma semplice, robusta e flessibile che comunica perfettamente con ogni componente del sistema di potenza compatibile – dal front end Ac-Dc alle ventole di raffreddamento a velocità variabile. Mentre molti dispositivi di tipo legacy possono riportare solamente informazioni elementari circa lo stato di un sistema, per sfruttare in maniera ottimale le opportunità offerte da PMBus è necessaria la presenza di convertitori per bus intermedio e convertitori Pol che forniscono le correnti al carico all’interno quindi un’architettura con bus intermedio di tipo Iba (Intermediate Bus Architecture) che comprende idonei sottosistemi di misura e controllo. Realizzati utilizzando prevalentemente processi a segnali misti, gli attuali convertitori di potenza a controllo digitale integrano questi elementi hardware aggiuntivi unitamente al core del controllore Pwm a costi trascurabili. Gli architetti di sistema possono quindi realizzare schemi hardware particolarmente complessi in modo molto semplice: il problema più rilevante è ora legato allo sviluppo del software di controllo e supervisione in grado di ottimizzare l’affidabilità del sistema e l’efficienza energetica. Tali schemi prevedono la possibilità di riconfigurare “al volo” i convertitori di potenza anche se è di fondamentale importanza il fatto che per applicazioni più semplici PMBus prevede una modalità “set & forget” in altre parole, una volta eseguita l'installazione e la configurazione viene richiesto un livello minimo di gestione) in base alla quale il convertitore si comporta praticamente alla stessa stregua di qualsiasi altro componente programmabile. Con un passaggio di programmazione, per esempio, è possibile scrivere nella sua memoria non volatile parametri definiti dall’utente, come tensione di uscita e valori limite di corrente, oltre ai ritardi per la messa in sequenza di qualsiasi terminale di alimentazione come richiesto dai componenti logici che operano con più valori di tensione. Praticità e semplicità sono i fattori chiave dell’affermazione di PMBus. La versione 2 delle specifiche SMBus prevedono le linee di clock e di dati SMBclk e SMBdat che semplificano le comunicazioni bidirezionali tra il master del bus che dà avvio al trasferimento dati e lo slave che risponde quando riconosce il suo indirizzo unico a 7 bit. PMBus dispone di altre due linee di segnali il cui utilizzo è opzionale: SMBalert#, una linea di interrupt che serve per informare il sistema che un dispositivo richiede il servizio e Control, che attiva o disattiva i dispositivi in funzione dei comandi di PMBus. Simile dal punto di vista elettrico a I2C, un collegamento PMBus è quasi sempre confinato in una singola scheda. In opzione esso può comunicare con altre schede utilizzando il bus di sistema a livello di backplane che sfrutta la tecnologia di networking scelta dal progettista di sistema. Nella struttura di una scheda per montaggio a rack in un tipico ambiente Iba, dove la logica per la gestione della potenza della scheda locale molto spesso forma un ponte fisico tra il collegamento PMBus presente a bordo e il bus di sistema del backplane. L’host di sistema, che gestisce i compiti di controllo e di gestione della potenza complessivi è il nodo principale del bus di sistema. Questo host potrebbe essere un sistema embedded o un dispositivo “intelligente” esterno, come ad esempio un Pc che potrebbe essere collegato a una rete aziendale locale. In funzione del grado di autonomia che un progettista ritiene più appropriato per le singole schede, il Bpm (Board Power Manager) può essere spaziare da un semplice bridge implementato sfruttando alcuni gate non utilizzati presenti in un Fpga a un microcontrollore che ospita a bordo la funzione di conversione del protocollo.

Programmazione più facile
con linguaggio standard

L’esperienza maturata con protocolli di comunicazione utilizzati da moltissimi anni nel campo della strumentazione per misura e collaudo quali Ieee-488 e Scpi (Standard commands for programmable instrumentation) ha dimostrato che un linguaggio di comando standard sviluppato in maniera idonea ha una notevole influenza sulla scelta dei progettisti che vogliono realizzare i loro design in maniera semplice, sicura e pronti a supportare future evoluzioni. Ancora una volta, gli elementi chiave sono semplicità e flessibilità.
Il formato prevede quindi 256 comandi, ognuno dei quali ricade solitamente in una delle seguenti categorie: comandi di controllo, uscita, limiti di guasto, risposta ai guasti e impostazione dei tempi; comandi di lettura dello stato, monitoraggio e identificazione; comandi di gruppo e di supervisione; comandi specifici del dispositivo e del costruttore. La maggior parte delle funzioni relative ai comandi inclusi in queste categorie sono auto esplicativi e generalmente applicabili, come ad esempio l’impostazione dei ritardi di accensione/spegnimento e i tempi di salita necessari per sequenzializzare una serie di terminali di alimentazione senza ricorrere a dispositivi hardware esterni. Tra le usuali funzioni specifiche del dispositivo come la taratura dei dati di calibrazione, l’ultima delle categorie segnalate consente di programmare elementi dell’hardware target unici del dispositivo preso in considerazione. Tra di essi si possono segnalare la modifica delle costanti del filtro Pid (Proprorzionale, integrale, derivativo) che controllano le risposte dinamiche del convertitore digitale, così come la variazione della durata del tempo morto tra il controllo e la commutazione dei Fet di sincronismo in un convertitore buck per minimizzare le perdite al mutare delle condizioni della linea e del carico. Una volta disponibile l’hardware adatto, queste funzionalità sono quasi sempre nuove e offrono la possibilità di regolare con precisione e in maniera dinamica le risposte di un convertitore per adattarle all’insieme delle condizioni di funzionamento correnti.
A un livello più alto di controllo, tecniche collaudate come il controllo della tensione del bus dinamico che richiede la presenza di circuiti di supporto nei convertitori di potenza analogici possono essere implementare in maniera molto semplice utilizzando convertitori digitali compatibili con PMBus. Questo schema di risparmio energetico prevede di ridurre in maniera “intelligente” la tensione del bus intermedio quando le correnti di carico sono relativamente basse, minimizzando le perdite legate alla conversione verso il basso (down conversion) nei vari convertitori Pol (Point Of Load) che regolano le tensioni del carico. Nel momento in cui il livello della corrente di carico aumenta, il software di supervisione impone al convertitore di bus intermedio di incrementare la sua tensione di uscita al fine di garantire un adeguato margine per i convertitori Pol. Un approccio di questo tipo è particolarmente utile nel caso di sistemi soggetti a escursione della corrente di carico di notevole entità, come ad esempio quelli preposti alla gestione delle reti che dipendono fortemente dai flussi di traffico. Sistemi di questo tipo possono spesso eseguire lo shutdown di interi blocchi circuitali per risparmiare energia quando la richiesta è bassa. Il PMBus semplifica notevolmente tutti gli aspetti legati al controllo della potenza in sistemi di questo tipo.

I kit di valutazione semplificano la progettazione
Il meccanismo di scambio di messaggi che PMBus generalmente adotta è formato da una sequenza del tipo “inizio - indirizzo del dispositivo target – comando – dati – stop”. Il numero di byte di dati che segue ogni comando dipende dalla natura dello scambio attuale, con il dispositivo ricevente che invia un segnale di acknowledge (conferma ricezione) per ogni byte trasferito. Opzionalmente la sequenza può terminare con un byte Pec (Packet Error Checking). Nel sistema finale, circuiti hardware dedicati si assumono la responsabilità di questi scambi, lasciando agli sviluppatori il compito di individuare una modalità di comunicazione con l’hardware prototipale e di valutare configurazioni di convertitori di potenza alternative. Un approccio largamente diffuso utilizza un Pc che opera in ambiente Windows per ospitare un ambiente di sviluppo grafico che comunica con una scheda di valutazione attraverso un adattatore Usb-PMBus. La scheda di valutazione include una selezione di convertitori di bus intermedio compatibili con PMBus e regolatori Pol che i progettisti possono scegliere per replicare nel modo più fedele possibile il loro ambiente target, mentre l’ambiente di sviluppo grafico semplifica il setup del dispositivo. Un esempio di ambiente di questo tipo è 3E Gui Gold Edition: anche se particolarmente indicato per la famiglia di convertitori Pol e di convertitori per bus intermedio digitali 3E di Ericsson, esso è anche in grado di comunicare con qualsiasi dispositivo compatibile con PMBus. Tra le funzionalità disponibili si può annoverare un log delle transazioni PMBus che registra e analizza gli scambi di messaggi per accelerare le operazioni di ricerca guasti.

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