Il PMBus e la gestione digitale della potenza

POWER ELECTRONICS –

Insieme a importanti consorzi industriali come Pola e Dosa, Ericsson è attivamente impegnata a supportare l’utilizzo di PMBus per le applicazioni di gestione della potenza.

Al crescere della complessità dei sistemi che integrano logiche a bassa tensione, aumenta in misura proporzionale la complessità degli alimentatori necessari per far funzionare in maniera corretta i chip che prevedono più tensioni come Dsp e Fpga. Per esempio, i core degli Fpga operano attualmente nell'intervallo di tensione compreso tra 1,2 e 1,8 V, mentre i loro banchi di I/O devono essere in grado di gestire più livelli per consentire l'interfacciamento con le logiche esterne. Molto spesso i chip caratterizzati da alimentazione del core indipendenti dai livelli di I/O e dei circuiti ausiliari richiedono una messa in sequenza dell'alimentazione molto accurata per assicurare un avvio e un funzionamento corretti. Inoltre il funzionamento di questi alimentatori deve poter essere sospeso con una sequenza tale da evitare la presenza di flussi di corrente indesiderati e potenzialmente dannosi attraverso la struttura interna del chip. Ulteriori requisiti necessari sono ad esempio la stretta conformità alle specifiche del sistema e la presenza di un ulteriore livello di controllo e monitoraggio dell'alimentazione. Ne consegue che i progettisti hanno adottato schemi di “power management” di tipo digitale per gestire in maniera appropriata tutte queste esigenze, spesso sfruttando la crescente disponibilità di convertitori di potenza digitali che integrano la maggior parte delle logica di interfaccia necessaria nel nucleo del convertitore stesso. Un'altra ragione che sta alla base della rapida adozione di tecniche di gestione della potenza digitale è la loro indubbia utilità durante il ciclo di vita di un sistema. Per esempio, durante la produzione di un modulo di alimentazione, il controllo da parte del sistema Ate può essere utilizzato per la configurazione dei parametri dell'alimentatore come ad esempio la taratura della tensione di uscita, l'impostazione dei punti di innesco per la segnalazione di condizioni di sovracorrente, sovratensione e sovratemperatura, oltre che per caricare numeri seriali e codici dei dati. Durante il processo di sviluppo del sistema, le interfacce digitali verso il convertitore di potenza consentono ai progettisti di ottimizzare le prestazioni del sistema di alimentazione semplicemente collegando un computer laptop corredato dell'opportuno software di controllo. A questo punto diventa semplice effettuare misure di temperature, tensioni e correnti di uscita, impostare i punti di innesco per i circuiti di protezione dai guasti e ottimizzare la messa in sequenza dell'alimentazione. Si tratta di una metodologia più semplice e veloce rispetto all'approccio tradizionale che prevede controlli di natura analogica che richiedono l'installazione iterativa di componenti e l'“intromissione” nelle pista della scheda a circuito stampato per eseguire misure di corrente. Anche le operazioni di accesso e raccolta dati risultano semplificate. Di conseguenza, durante l'assemblaggio in produzione e il collaudo della scheda e del sistema, il sistema Ate può sfruttare l'interfaccia digitale per effettuare il collaudo dei margini di tensione, la taratura e il monitoraggio della tensione, la misura dell'efficienza di conversione e la registrazione dei numeri seriali e dei codici dei dati utile nelle fasi di tracciabilità e supporto. Se necessario, il progettista può rimuovere le interfacce digitali una volta completata la fase di sviluppo. Con frequenza sempre maggiore, comunque, il progettista prevede la presenza di un controllore host sulla scheda per l'utilizzo durante il funzionamento normale. Di conseguenza risulta possibile realizzare sofisticate sequenze di avvio e sospensione senza dover ricorrere a interconnessioni o componenti aggiuntivi. Le temperature di funzionamento sono semplici da monitorare per regolare la velocità delle ventole del sistema. Nel caso di applicazioni ad alta disponibilità, risulta semplice monitorare l'efficienza in tempo reale e rilevare ogni fenomeno di degrado prima del verificarsi di un guasto hardware. E' possibile sviluppare routine di rilevazione e gestione dei guasti che prendano in considerazione le condizioni che si verificano in ogni parte del sistema.

L'architettura di gestione della potenza digitale

I sistemi per la gestione digitale della potenza sono caratterizzati da un'architettura base che prevede la presenza di convertitori di potenza che comunicano con un dispositivo di controllo centrale attraverso un bus di comunicazione digitale. I convertitori possono essere convertitori c.c./c.c. isolati o convertitori di tipo Pol (Point-Of-Load) non isolati. Il dispositivo di controllo centrale può essere di vario tipo come ad esempio circuiti integrati dedicati, microcontrollore oppure gate logici di un Fpga. L'elemento di controllo centrale è spesso chiamato “master” oppure “host” mentre i convertitori controllati sono identificati solitamente con il termine “slave”. Per la maggior parte dei sistemi, la sfera di controllo dell'host è costituita da una singola scheda di sistema. In alcuni sistemi di ampie dimensioni, questo host interagirà con controllori di livello più elevato presenti nel sistema, o anche con sistemi remoti sfruttando reti di comunicazione su lunga distanza. Per garantire la massima flessibilità agli utenti finali riducendo nel contempo i costi di realizzazione, la scelta della struttura del bus di comunicazione e dei relativi protocolli rappresenta un elemento critico. Insieme a importati consorzi industriali come la Pola (Point-Of-Load Alliance) e la Dosa (Distributed-power Open Standards Alliance) e ad altri costruttori di alimentazione di primo piano, Ericsson supporta l'uso di PMBus per le applicazioni di gestione della potenza. Le specifiche di PMBus sono disponibili liberamente ed esenti da qualsiasi royalty. Il protocollo è detenuto da System Management Interface Forum (www.powersig.org) e le più recenti informazioni sono reperibili sul sito Web dell'organizzazione PMBus all'indirizzo: www.pmbus.org

Le caratteristiche del PMBus

PMBus è un'interfaccia generica e flessibile che può essere utilizzata per una vasta gamma di dispositivi. Esso può operare con tutti i prodotti di potenza compresi convertitori c.c./c.c. isolati, convertitori Pol non isolati, convertitori di bus, convertitori c.a./c.c. e persino sistemi di ventilazione. Di per se stesso PMBus non è un prodotto e neppure uno standard per alimentatori o convertitori c.c./c.c. La definizione del bus non arriva a coprire fattori di forma, pinout e dettagli strutturali completi dei componenti di interconnessione. Per parecchi fornitori, consorzi come Pola e Dosa si preoccupano della definizione dei dettagli relativi all'implementazione.
Il PMBus si occupa dell'architettura di comunicazione tra l'host e i dispositivi controllati e non include specifiche inerenti la comunicazione diretta tra dispositivo e dispositivo. Di conseguenza non supporta l'interazione tra convertitore e convertitore che viene talvolta utilizzata per operazioni quali condivisione di corrente o rilevamento della tensione analogica. Funzionalità di questo tipo continueranno a esistere, ma saranno realizzati sulla base di altre metodologie sviluppate in maniera indipendente dai produttori di circuiti integrati e di sistemi di alimentazione. Lo scopo di PMBus è rendere disponibile un'interfaccia per la gestione e il controllo digitale della potenza affidabile, di largo impiego e definita con precisione che non rappresenti comunque un ostacolo allo sviluppo di altre tecniche. Il protocollo di PMBus prevede una struttura a strati e, fondamentalmente, definisce le regole per inviare blocchi di dati da un nodo all'altro della rete. Lo strato fisico definisce l'interconnessione fondamentale. Nelle sue linee essenziali, PMBus è un bus seriale a due fili basato su SM Bus - che a sua volta deriva dal diffusissimo bus I2C sviluppato originariamente da Philips (ora NXP) al quale sono state apportate opportune migliorie al fine di rendere disponibile un maggior numero di funzionalità per le applicazioni di controllo della potenza. Lo strato relativo al linguaggio di comando definisce comandi, formati dei dati e gestione delle informazioni.

Uno sguardo in profondità

Ciascuna implementazione di PMBus prevede due segnali principali o linee - Data e Clock - che collegano l'host con ogni dispositivo controllato. Oltre a questi due segnali, esistono estensioni opzionali di PMBus. Una linea denominata Control può collegare l'host a uno o più dispositivi controllati per definire le condizione di “on” e “off” per i dispositivi controllati in maniera del tutto analoga ai segnali “Remote Control” e “Inhibit” che solitamente sono presenti sugli attuali convertitori di potenza. Smbalert è un altro segnale opzionale che si può considerare alla stregua di un interrupt trasmesso da un dispositivo controllato all'host per segnalare un problema o il verificarsi di una condizione che richiede attenzione da parte dell'host stesso. Per i dispositivi controllati esiste anche un'opzione per la protezione da sovrascrittura (Write Overprotection). Si tratta di un collegamento singolo o di un pin il cui compito è che previene la sovrascrittura da parte dell'host di dati memorizzati nel dispositivo controllato.
I comandi di configurazione e controllo vanno dall'host ai dispositivi controllati, mentre le informazioni di monitoraggio vanno in direzione opposta, ovvero dai dispositivi controllati all'host. Questi trasferimenti di informazioni avvengono attraverso le linee Data e Control sotto il controllo dell'host. Mentre PMBus richiede un unico indirizzo fisico a 7 bit per ogni dispositivo controllato, non specifica il modo con cui questi indirizzi vengono stabiliti. Questo perché esistono parecchi metodi per realizzare l'indirizzamento e la flessibilità è un elemento importante in quanto consente a differenti costruttori di sistemi hardware di utilizzare vari metodi di assegnazione dell'indirizzo mantenendo la compatibilità con le specifiche PMBus. L'indirizzamento a 7 bit consente l'assegnazione di oltre un centinaio di indirizzi unici, un numero più che sufficiente per la quasi totalità delle applicazione dei sistemi di potenza.
Una modalità per stabilire un indirizzo fisico in un dispositivo controllato prevede la programmazione binaria dei pin. Ciascun pin di programmazione può essere collegato a massa per definire uno stato logico o lasciato libero per indicare l'altro stato. Per esempio, con cinque pin di programmazione è possibile avere 32 possibili indirizzi fisici. La presenza di cinque pin aggiuntivi per parecchi convertitori di potenza rappresenta una significativa penalizzazione in termini di costi e dimensioni a fronte della disponibilità di un numero abbastanza limitato di indirizzi.
Un altro approccio contempla l'uso di driver di uscita tri-state sui pin. Per ogni pin sono dunque possibili tre stati (alto, basso, aperto) con conseguente incremento della densità di indirizzamento. Per esempio, con tre pin è possibile disporre di 27 indirizzi. Non va comunque dimenticare che con l'approccio tri-state possono sorgere problemi di messa in sequenza dell'alimentazione, poiché la tensione interna necessaria per definire lo stato “alto” potrebbe non essere disponibile fino a dopo che il convertitore non si sia avviato. Un approccio che Ericsson sta seguendo con particolare attenzione è quello che prevede l'uso di tecniche di taratura resistive e di un numero limitato di pin. Su un singolo pin possono essere definiti più stati mediante la connessione di un generatore di corrente costante - che è interno al convertitore - a massa attraverso un resistore di programmazione esterno. Valori resistivi predefiniti corrispondono a differenti livelli di tensione ai capi del resistore, che a loro volta sono correlati con un livello digitale. Per esempio, se si ricorre a un generatore di corrente di 10 μA unitamente a un resistore di 25 kOhm, è possibile avere passi di tensione di 0,25 V. Con 8 passi di questa ampiezza si può passare da 0 a 2 V. Con soli due pin è dunque possibile disporre di un totale di 64 indirizzi fisici unici. Attualmente si sta ancora valutando quali sono le migliori tecniche di indirizzamento. In ogni caso, la soluzione più idonea dovrebbe tenere contro di questi aspetti:

  • il numero dei pin di connessione dovrebbe essere limitato per ridurre dimensione e costo;
  • è necessario rendere disponibile un numero sufficiente di indirizzi unici per qualsiasi sistema di potenza;
  • la tecnica adottata deve essere stabile e affidabile in modo da impedire il verificarsi di cambiamenti di stato non previsti a causa del rumore.

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