All'interno di un contesto che prevede sistemi ad alta disponibilità, il PMBus consente di integrare un hardware di alimentazione ridondante e ottimizzare nel contempo l'efficienza operativa del sistema attraverso schemi di gestione della potenza “intelligenti”. Ciò risulta particolarmente importante per le architetture di alimentazione distribuite adottate dai sistemi destinati ai settori industriale e delle telecomunicazioni e che si vanno diffondendo grazie all'affermazione di standard come il microTca. Pur differenziandosi in termini di singoli dettagli, lo schema generale prevede un front end c.a./c.c. che converte verso il basso la potenza fornita dall'azienda di servizio pubblico a un livello intermedio (solitamente 48 Vcc) per la successiva distribuzione a tutte le schede presenti all'interno di un sistema. A livello di schede, un convertitore a bus intermedio o Ibc (Intermediate Bus Converter) spesso fornisce un ulteriore livello di isolamento per soddisfare le specifiche imposte da standard di sicurezza come ad esempio EN 60950. Questo Ibc effettua una conversione verso il basso a valori compresi tra 9 e 12 V per alimentare i convertitori Pol (Point of Load) che forniscono le tensioni richieste dai circuiti logici e di supporto. In un sistema PMBus, un bus locale interconnette i componenti a livello di scheda e rende disponibile un'interfaccia uniforme verso l'host del sistema, che spesso si collega anche con il front end c.a./c.c. e con le periferiche come le ventole di raffreddamento. Un'importanza ancora maggiore riveste il fatto che i dispositivi PMBus devono essere in grado di avviarsi in modo sicuro senza alcun intervento da parte dell'host. La modalità “set & forget” (in altre parole, una volta eseguita l'installazione e la configurazione viene richiesto un livello minimo di gestione) permette di programmare un dispositivo PMBus una volta in fase di produzione, in modo che successivamente il dispositivo possa operare indefinitamente senza nessuna comunicazione del bus. PMBus comprende parecchie estensioni della versione 1.1. di SMBus così come altre caratteristiche della versione 2.0 di SMBus. Queste comprendono il protocollo per il comando di gruppo che invia uno o più comandi a molteplici dispositivi in un'unica sequenza di trasmissione continua. Poiché i dispositivi eseguono sempre i comandi che ricevono dopo aver rilevato la condizione di Stop dell'SMBus, risulta possibile effettuare un aggiornamento contemporaneo di più dispositivi. Un altro esempio è rappresentato dai protocolli di comando estesi che rendono disponibili 256 codici di comando per i formati byte e word. Ciascun parametro che può essere scritto deve anche essere leggibile.
Un fattore essenziale: il linguaggio di comando
È possibile apprezzare le potenzialità di PMBus prendendo in considerazione il linguaggio di comando, che comprende comandi standard e specifici del dispositivo. Il formato base a singolo byte consente 256 comandi, ciascuno dei quali può essere seguito da zero o più byte di dati. Operanti con tensioni comprese tra 4,5 e 14 Vcc, i convertitori BMR450/451 di Ericsson utilizzano anelli di controllo interni digitali per variare il flusso Pwm (Pulse Width Modulation) che fa commutare i Mosfet di uscita nei convertitori buck sincroni. Un resistore esterno imposta la tensione di uscita in un intervallo molto ampio - da 0,6 a 3,6 Vcc per BMR451 e fino a 5,5 Vcc per BMR450. Questo approccio permette al firmware del convertitore di ottimizzare le prestazioni per una gamma di condizioni di linea e di carico più ampia rispetto a quella consentita da un tradizionale anello di controllo analogico, assicurando un livello di efficienza superiore al 96% con un carico del 50%. Il firmware integra funzioni quali ad esempio ritardi di precisione e controllo dello slew rate durante la fase di accensione e supporta caratteristiche quale blocco di sottotensione, controllo on/off, rilevamento remoto e protezione contro malfunzionamenti. La programmabilità durante la fase di produzione permette all'utente di specificare parametri custom che vengono impostati in maniera sicura nel firmware per tutta la vita operativa del prodotto. Questa implementazione della funzionalità “set & forget” di PMBus assicura una flessibilità di configurazione non riscontrabile nei convertitori di tipo analogico - consentendo ad esempio di apportare regolazioni all'anello di controllo interno in modo da ottimizzare la risposta ai transitori - conferendo nel contempo la semplicità d'uso tipica delle soluzioni analogiche. Grazie all'aggiunta della tracciabilità, ogni DiPOL dispone di un unico numero seriale insieme ai dati identificativi a cui i comandi PMBus standard possono avere accesso.
Uno dei principali vantaggi di un approccio basato su DiPOL è l'integrazione dell'interfaccia PMBus e dell'hardware di controllo e di monitoraggio all'interno del nucleo del controllore digitale. Per contro, un convertitore analogico richiede una circuiteria di supporto aggiuntiva che risulta accoppiata in maniera meno sinergica, occupa più spazio e consuma una potenza maggiore. Per esempio, un integrato di conversione A/D che misura la tensione del bus intermedio richiede un circuito aggiuntivo per il condizionamento del segnale per le operazioni di filtraggio e normalizzazione, con conseguente aumento sia dei consumi sia degli ingombri. L'adozione del concetto DiPOL permette di diminuire il numero dei componenti, aumentare l'affidabilità e incrementare la densità di potenza. Ad esempio, la versione a montaggio superficiale di BMR451 con corrente nominale di 40 A eroga una potenza di 132 W pur essendo ospitato in un package di dimensioni pari a soli 30,85 x 20 x 8,2 mm, che equivale a 7,90 A/cm3 mentre il modello BMR550 può fornire 20 A/100 W in un contenitore che misura 25,65 x 12,9 x 8,2 mm, ovvero 7,38 A/cm3. Convertitori c.c./c.c. analogici simili sarebbero caratterizzati da una densità di corrente di soli 2,37 A/cm3. L'MTBF per il BMR451 e il BMR450 è pari rispettivamente a 2,6 e a 5 milioni di ore.
Integrazione di sistema più semplice
La funzionalità di rilettura integrata nei convertitori DiPOL di Ericsson è un elemento fondamentale per l'implementazione di una strategia di gestione della potenza più incisiva. A livello di sottosistema, il monitoraggio delle fluttuazione della tensione e della corrente di carico permette di controllare le condizioni del circuito di carico che potrebbero segnalare la necessità di apportare una variazione della tensione dei bus intermedio o essere indice di condizioni anomale. La rilettura della temperatura potrebbe anche fornire un'indicazione di condizioni irregolari oppure essere utilizzata per variare la velocità di ventole di raffreddamento compatibili con PMBus. A livello di sistema, le misure in tempo reale di parametri chiave permette al software di supervisione di adattarsi al cambiamento delle condizioni della linea e del carico, in modo da risparmiare potenza e minimizzare la generazione di calore.
Un Ibc programmabile come il BMR453 di Ericsson rappresenta il complemento ideale per dar vita a schemi così efficienti dal punto di vista energetico. Questo modulo in formato ¼ brick isola e converte verso il basso tensioni comprese tra 36 e 75 Vcc a livelli compresi nel range tra 8,1 e 13,5 V, programmabili attraverso i comandi del PMBus.
Capace di erogare una potenza massima di 396 W con un'efficienza superiore al 96%, questo convertitore digitale fornisce una potenza maggiore in misura pari al 5% rispetto al suo predecessore analogico PKM4304BPI. L'accuratezza della regolazione di BMR453 è pari a ±2% - contro il +4 e il -10% di un convertitore analogico - a fronte di valori di ondulazione (ripple) e di rumore in uscita dimezzati e di un sensibile miglioramento (di un fattore pari a 2) in termini di risposta ai transitori. BMR453 integra l'interfaccia PMBus oltre a tutti gli elementi firmware e l'hardware per il monitoraggio e il controllo nella logica del core.
Sfruttando la flessibilità offerta dai comandi di PMBus, sia standard sia specificati dal costruttore, BRM453 può garantire una programmabilità in-system senza precedenti. Divisi in varie categorie - controllo, uscita, limiti di guasto, risposta ai guasti, impostazioni delle temporizzazioni e supervisione, per la programmazione del convertitore sono disponibili oltre 50 comandi PMBus standard. Essi fanno riferimento a operazioni sia a livello di sistema - come ad esempio impostazioni dei margini e della tensione di uscita, controllo dello slew rate e dei ritardo di accensione/spegnimento, impostazione dei limiti di guasto - sia a livello di dispositivo - come ad esempio la variazione della frequenza di commutazione del convertitore. Oltre venti comandi di sola lettura sono proposti all'interrogazione del convertitore per la verifica di parametri quali livelli di tensione di ingresso e uscita, temperatura di funzionamento, frequenza di commutazione e duty cycle. Altri trenta comandi specifici di BMR453 sono preposti alla configurazione di caratteristiche che spaziano dalla polarità del segnale di power-good alla modalità di funzionamento (master o slave) in una configurazione a suddivisione di corrente. È utile segnalare che una delle caratteristiche di progetto più inusuali è la capacità di condivisione della corrente con un altro BMR453 senza necessità di ricorrere a un circuito di supporto esterno, come ad esempio Mosfet e diodi configurati in modo da realizzare una porta OR. Oltre al kit di sviluppo che supporta BMR453 e i moduli BMR450/451, il software Cmm di Ericsson permette agli utilizzatori di acquisire familiarità in modo molto semplice con le funzionalità di ciascun componente. La scheda di valutazione 3E è una scheda base a due canali in grado di ospitare fino a 3 moduli BMR450/451 e un BMR453 opzionale per canale. Gli utilizzatori possono collegare in maniera estremamente semplice sorgenti e carichi per valutare le prestazioni elettriche del sistema sfruttando configurazioni che ricordano da vicino l'applicazione target. Insieme all'interfaccia USB-PMBus della scheda di valutazione, il software Cmm che gira sulla scheda 3E permette a un Pc di accedere a ciascun modulo. Durante l'inizializzazione il software esegue la scansione del PMBus per scoprire quali sono i moduli presenti ed elencarli nel pannello più in alto, insieme ai loro indirizzi e ai principali parametri di setup. Quando si evidenzia un dispositivo il software visualizza quattro contrassegni (tab) - configurazione PMBus standard, configurazione specifici di BMR45x, monitoraggio del dispositivo e file I/O (lettura e scrittura dei file) - che permettono di accedere a una serie di comandi e pannelli di visualizzazione. Per esempio il contrassegno di configurazione standard di BMR453 identifica il singolo convertitore, consente agli utenti di programmare numerosi dei propri comandi PMBus standard e riporta ciascuna transazione sul PMBus nel momento in cui viene eseguita. In maniera del tutto analoga il contrassegno di configurazione specifico per BMR45x permette di accedere ai parametri specifici del dispositivo, che vengono modificati con minor frequenza, mentre quello relativo al monitoraggio del dispositivo fornisce una visualizzazione in tempo reale di ciascuna tensione di ingresso e corrente e tensione di uscita del convertitore, oltre alla sua temperatura e a un pannello di stato che riporta impostazioni e allarmi e guasti. Il contrassegno relativo a I/O file permette, in modo molto semplice, di registrare, modificare e ripristinare un file di configurazione che contiene tutte le impostazioni operative del convertitore in un formato di file di testo che gli utenti possono sfruttare per programmare altri convertitori e/o conservare a scopo di documentazione.
Risparmio energetico con l'integrazione di PMBus
Mentre l'integrazione dell'interfaccia PMBus e dei relativi sottosistemi di misura e controllo contribuisce a minimizzare il numero di componenti e i consumi di potenza, la possibilità di regolare l'Ibc durante il normale funzionamento semplifica l'implementazione di schemi che permettono di conseguire ulteriori risparmi energetici a livello di sistema. Il controllo dinamico della tensione del bus è una tecnica consolidata per mezzo della quale il software di supervisione impartisce ordini di variazioni del livello di uscita dell'Ibc al fine di ottimizzare l'efficienza in presenza di differenti condizioni della linea e del carico. Alcuni convertitori analogici permettono il controllo della tensione di uscita attraverso potenziometri - dando la possibilità di utilizzare potenziometri a controllo digitale - o una tensione di controllo analogica fornita da un convertitore D/A.
In entrambi i casi l'intervallo di regolazione è abbastanza limitato, viene richiesta la presenza di circuiti di supporto e le dinamiche per la regolazione dell'anello possono rappresentare un problema.
Il progetto di natura digitale di BMR453 rappresenta un vero e proprio punto di svolta. Utilizzando la scheda di valutazione 3E, le verifiche condotte presso Ericsson hanno dimostrato l'efficacia della variazione dinamica dell'uscita dell'Ibc in presenza di modifiche delle condizioni di carico. Guardando alle perdite di potenza prodotte dalla variazione della tensione di uscita di un Ibc BMR453 da 9 a 13 V mentre alimenta sei moduli DiPOL che erogano una potenza compresa da 0 a 300 W, e trascurando fattori esterni come una minore energia richiesta per il raffreddamento, si può osservare che è possibile risparmiare fino a 5 W di potenza. Quando una coppia di BMR453 alimenta i DiPOL in una configurazione a condivisione di corrente, la capacità di disattivare uno degli Ibc in presenza di carichi di valore ridotto permette un risparmio in termini di corrente di riposo fino a 2 W. Oltre a ciò, poiché è possibile evitare la realizzazione di una configurazione OR mediante Mosfet e diodi, si ottengono sensibili risparmi in termini di energia e di ingombri nelle configurazioni a condivisione di corrente e di tipo ridondante, che rappresentano elementi di fondamentale importanza per gli odierni sistemi.
