一種基于PMBus 協議的總線控制器的設計

葉琳娜，賀雅娟，張子驥，張 波，甄少偉

（電子科技大學電子科學與工程學院，成都610054）

1 引 言

隨著電源管理技術的發展，現有的電源芯片已經難以滿足高性能嵌入式系統的供電需求。嵌入式系統的自適應電源管理方案需要在系統的運行過程中根據系統的運行狀況實時改變電源的輸出電壓和上電次序，然而這些功能在傳統的DC/DC 電源管理方案中是很難實現的。在這種背景下，數字可編程電源成為了最佳的選擇。而PMBus 的出現為電源芯片內各個關鍵模塊之間的通信提供了一個標準。同時，PMBus 總線推動了數字電源技術的發展，通過PMBus 總線可以在工程中方便的對電源芯片進行在線編程和配置。故此對PMBus 總線控制器的設計原理和實現過程進行了介紹。

2 數字電源及相關原理

2.1 數字電源概述

“數字電源”定義為數字控制的電源產品，可提供配置和監控功能，甚至擴展到全數字環路控制。它包括兩個不同的技術領域。其一為“數字控制”，即電源開關的實時、逐周期控制；另一個是“數字電源管理”。圖1 顯示了具有PMBus 協議的多POL 電源管理系統[1]，該系統基于物理傳輸層SMBus 協議。在系統中，每個POL 都在其自己的數字環路下進行控制，系統主機通過SMBus 管理多個POL。數字電源管理可包括開關頻率調整，電壓裕度監測，電壓、電流、溫度監控和保護等功能。

圖1 總線概念圖

2.2 PMBus 總線概述

PMBus 總線是數字電源轉換器的電源管理總線標準，于2004 年由電源和半導體公司聯合開發，用于與DC / DC 轉換器進行通信，之后擴展專用的自適應電壓調節（AVS）總線，用于控制處理器電壓。總線包括一組用于控制和監控連接到總線的電源轉換器的命令。例如，可以配置變化的輸出電壓的上升和下降時間。這已經成為工業中用于配置功率轉換器的標準總線。通過為系統實現PMBus，可以最小化組件數量和功耗，以及在正常操作期間調節功率，使得實現系統級省電方案變得容易[2-3]。

該協議基于由廣泛使用的Inter-IC 總線（I2C總線）擴展而來的物理傳輸層系統管理總線（SMBus總線）[4-6]，為了給功率控制提供更多功能，PMBus 成為電源管理系統中總線的絕佳選擇。PMBus 具有雙向數據線（SDA）和雙向時鐘線（SCL）。雙向數據線使得在進行任何數據傳輸的情況下，從機都會確認數據，可以發送最大255 字節的較大數據塊。

自適應電壓調節總線（AVSBus）是PMBus 的補充，它提供負載點（POL）電壓控制器和負載之間的點對點鏈路。其主要應用是靜態或動態控制處理器電壓，以提高能效。總線使用雙線接口（TWI）和類似于PMBus 的協議。

3 PMBus 總線控制器設計

基于PMBus 協議，在此設計一種兼容I2C 總線的控制器，該控制器連接串行PMBus 總線，由狀態機控制，滿足PMBus 協議的時序要求，配置為從機模式，從PMBus 總線收發數據以及對主控制器做出相應的中斷和響應。采用Verilog HDL 語言進行實現，以便將該控制器易于與基于AMBA 總線的CPU集成，拓展其應用范圍[7]。

總線控制器整體系統框架如圖2 所示。

圖2 總線控制器系統圖

3.1 設計框架

整個設計包含從機模式的時序模塊、功能模塊、控制模塊、信號產生模塊，以及相應的頂層互連模塊。從機的時序模塊用于完成與SMBus 相同的地址檢測，從MSB 到LSB 接收命令和傳輸高低字節數據，以及SMBALERT 中斷。從機的功能模塊處理傳輸過程中可能發生的故障，如PMBus 從機太忙，無法接受并處理通過總線發送給它的命令，接收到的命令和高低字節無效，讀或寫太多字節或太少字節，過溫、過壓、過流的故障處理等。主機的控制模塊狀態機向從控制器發送起始幀、停止幀、地址、數據及相應的中斷控制信號。主機的信號產生模塊設計所需的時鐘及數據。

3.2 PMBus 從機時序模塊

PMBus 從機時序模塊狀態圖如圖3 所示。檢查時鐘和數據是否有表示相應上升沿和下降沿的電平、開始及停止條件，檢測到開始幀時從機置于忙碌狀態，時鐘下降沿開始計數。從機產生中斷時由于具有警報相應地址（ARA = 7'b0001100）,中斷保持至主機向其發送ARA 地址時響應清除。

圖3 時序模塊狀態圖

3.3 PMBus 從機功能模塊

該模塊根據PMBus 協議中指定的相關命令從主機中讀取電壓、電流、溫度等參數，實現了從機忙碌狀態響應，檢查接收命令及高低字節的有效性，檢查讀寫位數過多或過少的功能，對過壓、過流和過溫設置和清除警告位。所支持的PMBUS 命令如表1所示。

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

表1 支持的PMBUS 命令

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

如果收到開始或結束信號，則太少字節被寫無效。檢查主控制器是否無重復開始就讀字節，如果收到地址非ARA 地址后正在傳輸數據且無重復開始就讀字節，則無重復開始就讀字節有效。如果收到開始或結束信號，則無效，其他情況狀態位保持不變。設置通信錯誤狀態和清除輸出電壓過壓狀態。在以下兩種情況清除輸出電壓過壓狀態，第一種，收到結束信號，且收到STATUS_VOUT 命令，低位字節的第7 位為1'b1，通信有效，地址的第0 位為1'b1。第二種，收到結束信號，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。

其次設置輸出電壓過壓故障位，該位將進入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。如果收到結束信號和SMBALERT_MASK 命令，低位數據字節為STATUS_VOUT，且通信有效，則設高位數據字節第7 位掩模輸出電壓過壓。存儲STATUS_VOUT 的掩碼字節。如果收到SMBALERT_MASK 命令且收到低位字節數據為STATUS_VOUT，則將高位字節數據設為存儲STATUS_VOUT 的掩碼字節。接著清除輸出電流過流狀態。在以下兩種情況清除輸出電流過流狀態，第一種，收到結束信號，且收到STATUS_IOUT 命令，低位字節的第7 位為1，通信有效，地址的第0 位不為1'b1。第二種，收到結束信號，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。

設置命令有效信號狀態寄存器。如果內部命令有效且清除內部命令無效，則命令有效。如果清除內部命令有效，則命令無效。其他情況狀態保持不變。數據有效信號狀態寄存器、其他錯誤信號狀態寄存器的設置方法與此類似。設置命令有效警報掩模寄存器。如果收到結束信號，且收到SMBALERT_MASK 命令，且低位數據字節為STATUS_CML，則命令有效警報掩模寄存器設為高位數據字節的第7位。其他情況狀態保持不變。數據有效警報掩模寄存器、其他錯誤警告掩模寄存器、存儲STATUS_CML掩模字節的方法與此類似。

如果檢測通信/數據錯誤位狀態寄存器的上升沿/檢測輸出電壓過壓故障信號的上升沿/檢測輸出電流過流故障信號的上升沿/檢測輸入電壓欠壓故障信號的上升沿/檢測輸入過溫故障信號的上升沿有效，且清除中斷信號無效，則中斷信號有效，若清除中斷信號有效，則中斷信號無效，其他情況中斷信號保持不變。設置狀態字節和STATUS_OTHER 位。判斷如果收到停止信號且收到VOUT_COMMAND 命令且通信有效，若高位數據字節值小于VOUT_MAX，則將高位數據字節值賦于內部存儲VID 碼的寄存器，否則該寄存器保持原值。

最后，查看寫到主機的命令。如果命令有效或無重復開始就讀字節狀態有效且其他錯誤信號以前的值有效，則寫內部低位數據字節的寄存器為8'd255，寫內部高位數據字節的寄存器為8'd255。否則，當處于讀命令狀態時，如果收到VOUT_COMMAND 命令，寫內部低位數據字節的寄存器為8'd0，寫內部高位數據字節的寄存器為內部存儲VID 碼的寄存器。如果收到READ_VOUT 命令，寫內部低位數據字節的寄存器為8'd0，寫內部高位數據字節的寄存器為輸出電壓值。輸出電流值、溫度值、輸入電壓值、狀態字節的存儲方法與此類似。 如果收到STATUS_VOUT 命令，寫內部低位數據字節的寄存器為輸出電壓過壓故障位，寫內部高位數據字節的寄存器為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、命令有效信號狀態，數據有效信號狀態寄、其他錯誤信號狀態、STATUS_OTHER 信號的存儲方法類似。如果收到SMBALERT_MASK 命令，高位數據字節為STATUS_VOUT，則寫內部低位數據字節的寄存器為8'd1，寫內部高位數據字節的寄存器為存儲STATUS_VOUT的掩碼字節。其他命令如STATUS_IOUT、STATUS_IOUT、STATUS_INPUT、STATUS_VIN 等的存儲方式與STATUS_VOUT 類似。

4 仿真測試平臺及版圖設計

為確保PMBus 總線控制器功能和時序的正確性，通過Synopsys 公司的EDA 仿真平臺對從控制器的設計進行仿真驗證和相關功能分析。在驗證從控制器的功能時，設計搭建主控制器發送數據。一共有兩次中斷被觸發，第一次讀VOUT=16'hfc(252d)，第二次讀TEMP=16'h7f(127d),第三個觸發中斷，用ARA=00011000 的方式清除，如圖4 所示。清除后讀一組VIN=240d，應讀出16'hf0，然后再觸發一次中斷，再用CLEAR_FAULTS 清除,cmd 對應8'h03，如圖5 所示，即表示已清除。

圖4 觸發中斷并用ARA 的方式清除中斷

圖5 再次觸發中斷、以CLEAR_FAULTS 命令清除中斷

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

最終，采用SMIC 0.18μm 的工藝平臺進行數字集成電路物理設計，完成6 層金屬布局布線，大小為200μm×200μm，并通過后仿驗證功能的正確性[8-9]。完成的版圖如圖6 所示。

圖6 PMBus 總線控制器版圖

5 結 束 語

基于PMBus 協議完成了一種從控制器的設計及驗證。采用模塊化設計，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。控制器實現了PMBus 協議的基本功能，符合協議的時序要求，節省了硬件資源，為數字電源提供良好的拓展空間。