向工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的轉(zhuǎn)變認(rèn)為制造控制系統(tǒng)的各個(gè)要素采用更高水平的地方自治，以實(shí)現(xiàn)對(duì)市場(chǎng)需求的實(shí)時(shí)適應(yīng)。在這種環(huán)境中維持吞吐量將取決于那些具有高度可靠性的本地控制器。識(shí)別故障條件的能力是保持高可用性和連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵，并且這延伸到電源，特別是因?yàn)楣β?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器由于部件上的高應(yīng)力而在現(xiàn)場(chǎng)傾向于遭受更高的故障率。高級(jí)診斷和在運(yùn)行系統(tǒng)上熱插拔電源轉(zhuǎn)換器的能力對(duì)于維持正常運(yùn)行時(shí)間非常重要。

PMbus不僅提供監(jiān)控電源轉(zhuǎn)換器和相關(guān)電路故障和問題跡象的方法，而且還為熱插拔控制提供標(biāo)準(zhǔn)接口。 PMbus最初于2005年3月作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，它來自系統(tǒng)管理總線（SMbus），它是為控制數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中的處理器板而開發(fā)的。

SMbus和PMbus都是基于相同的兩線I 2 C總線，但PMbus添加一條警報(bào)線，允許總線上的任何節(jié)點(diǎn)中斷系統(tǒng)主機(jī)。警報(bào)線的使用減少了該主站連續(xù)輪詢從站進(jìn)行更新的需要。這是一個(gè)重要的特性，因?yàn)樗兄诮档透呖煽啃韵到y(tǒng)中使用的微控制器的軟件開銷。

圖1：在一個(gè)內(nèi)部使用PMbus系統(tǒng)級(jí)環(huán)境。 [來源：PMbus/SMIF]

使用串行總線，PMbus可以管理電路板上的多個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，提供比使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法更精細(xì)的控制。 PMbus提供的管理級(jí)別使得可以按順序激活每個(gè)轉(zhuǎn)換器。受控啟動(dòng)可避免對(duì)主電源總線的干擾，例如電壓驟降過大。以類似的方式，PMbus提供命令來自動(dòng)關(guān)閉電源轉(zhuǎn)換器，以便為熱交換事件做好準(zhǔn)備。為了在更換插入式電源時(shí)向技術(shù)人員和維護(hù)人員發(fā)出指示，PMbus將重要的監(jiān)控和控制數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)管理控制器。

PMbus數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但能夠處理100多種不同的電源管理命令，可以擴(kuò)展到當(dāng)前的1字節(jié)命令空間，甚至可以通過2字節(jié)的擴(kuò)展命令結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。兩個(gè)命令用于控制由PMbus控制器管理的電源轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)順序。在開始向下游設(shè)備供電之前，TON_DELAY為轉(zhuǎn)換器在接收到控制信號(hào)之后設(shè)置等待時(shí)間。同樣，TOFF_DELAY用于控制轉(zhuǎn)換器在禁用其下游組件的電源之前等待的時(shí)間。

此外，PMbus控制器可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào)控制。一旦收到TON_DELAY或TOFF_DELAY命令，TON_RISE和TON_FALL命令分別確定電壓增加和減少的速度。

許多命令和消息代碼提供對(duì)故障管理至關(guān)重要的信息。消息包括IOUT_ OC_FAULT_LIMIT，IOUT_OC_FAULT_RESPONSE，IOUT_OC_WARN_LIMIT，OT_WARN_ LIMIT，OT_FAULT_LIMIT和OT_FAULT_ RESPONSE。這些消息允許轉(zhuǎn)換器報(bào)告輸入和輸出的過流，過壓和過功率以及超出的溫度限制。應(yīng)對(duì)高可靠性系統(tǒng)中的系統(tǒng)控制器進(jìn)行編程，以解釋和處理這些故障指示。響應(yīng)可以是在日志中記錄故障，并且在IoT類型的環(huán)境中，將故障中繼到負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)設(shè)備的服務(wù)器。

或者，控制器可以采取直接行動(dòng)。它可以關(guān)閉受影響的轉(zhuǎn)換器，并允許熱備用電源提供電源，直到安裝更換?；蛘呖刂破骺梢灾匦聠?dòng)或嘗試重啟轉(zhuǎn)換器。命令I(lǐng)OUT_OC_ FAULT_LIMIT和IOUT_OC_FAULT_RESPONSE允許用戶編程過流跳閘閾值，并確定當(dāng)超過過流限制時(shí)轉(zhuǎn)換器應(yīng)如何響應(yīng)。轉(zhuǎn)換器也可能有硬連線響應(yīng)。

圖2：兼容設(shè)備中PMbus狀態(tài)和控制寄存器的典型實(shí)現(xiàn)，以支持命令和狀態(tài)代碼。 [來源：PMbus/SMIF]

對(duì)于凌力爾特公司生產(chǎn)的LTC3882多相DC/DC穩(wěn)壓控制器，監(jiān)控比較器在每個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）上檢測(cè)到過校正條件）輸出。如果特定通道的瞬時(shí)電流超過IOUT_OC_ FAULT_LIMIT命令設(shè)置的限值，則控制器立即禁用頂部FET，并且底部FET在周期的剩余時(shí)間內(nèi)保持接通狀態(tài)。

操作的進(jìn)一步變化使用IOUT_OC_ FAULT_RESPONSE編程。硬件響應(yīng)可能是嘗試?yán)^續(xù)正常操作，重新啟動(dòng)通道并保持重新啟動(dòng)直到MFR_RETRY_DELAY命令指定的時(shí)間間隔或關(guān)閉通道。如果系統(tǒng)控制器確定故障可能是臨時(shí)故障，則可以使用CLEAR_FAULTS等命令進(jìn)行重置。如果故障立即再次出現(xiàn)，系統(tǒng)控制器可以選擇進(jìn)一步操作或重新編程故障響應(yīng)，以便通道嘗試重新啟動(dòng)，然后在故障未清除時(shí)關(guān)閉。

通過其命令結(jié)構(gòu)和與兼容的控制器配合使用，PMbus可以在運(yùn)行的系統(tǒng)中安全地交換電路板。德州儀器（TI）LM5066等熱插拔控制器可以管理電路板的其他部分，確保設(shè)備在連接器配合時(shí)不會(huì)遇到高浪涌電流，或者在電路板突然出現(xiàn)時(shí)可能會(huì)在高電流時(shí)發(fā)生潛在的破壞性電壓變化。

即使使用熱插拔邏輯控制，也需要注意選擇和集成功率開關(guān)FET，以控制向電路板其余部分供電。電路設(shè)計(jì)需要確保當(dāng)熱插拔開啟時(shí)輸出突然短接到地 - 熱短路時(shí) - 以及當(dāng)輸出和接地短路時(shí)電路板上電時(shí)電路正常工作，這是已知的

熱插拔電路的一個(gè)關(guān)鍵特性是輸出電容的大小，用于幫助平滑電源傳輸?shù)诫娐钒宓钠溆嗖糠?。?duì)此電容充電時(shí)，F(xiàn)ET的總能量消耗是它可以存儲(chǔ)的能量。因此，輸入電壓和電容決定了FET的應(yīng)力。進(jìn)一步考慮的是電路板本身的最大負(fù)載電流和熱特性，因?yàn)檫@決定了MOSFET應(yīng)該具有的導(dǎo)通電阻水平。它需要足夠低以保持穩(wěn)態(tài)溫度低于FET的最大熱額定值。

FET需要能夠處理最大系統(tǒng)電壓和瞬態(tài)。對(duì)于48 V系統(tǒng)，100 V FET應(yīng)該足夠了。此外，安全操作區(qū)域需要能夠處理啟動(dòng)，熱短路和開始短路的熱交換條件。 LM5066提供的可編程SOA保護(hù)設(shè)置FET在任何條件下均可消耗的最大功率。存在可編程故障定時(shí)器，可以設(shè)置該定時(shí)器以避免誤跳閘并限制負(fù)載事件的持續(xù)時(shí)間。支持循環(huán)模式以幫助確保在插入電源后啟動(dòng)。

圖3：TI LM5066及其相關(guān)熱插拔FET的電路圖。

除電路保護(hù)外，LM5066還提供真正的電源保護(hù)使用PMbus向系統(tǒng)管理主機(jī)發(fā)送電源，電壓，電流，溫度和故障數(shù)據(jù)。集成遙測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智能電源管理功能，例如效率優(yōu)化，并且除故障檢測(cè)外，還提供電流，電壓和功率平均以及峰值功率測(cè)量等功能，以改善系統(tǒng)診斷。

支持的另一項(xiàng)重要功能由PMbus提供的高可靠性系統(tǒng)是對(duì)電壓裕度的支持，可用于LTC3882等設(shè)備。通常采用電壓裕度來確定由于電源電壓的微小變化IC性能是否會(huì)受到過度影響。在此過程中可以檢測(cè)到接近其極限且存在故障風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，并在離開生產(chǎn)設(shè)施之前進(jìn)行更換。自動(dòng)余量使得可以執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以檢測(cè)由老化引起的問題。

使用傳統(tǒng)電源的保證金測(cè)試很難執(zhí)行。它可能要求將電阻器臨時(shí)安裝到DC/DC轉(zhuǎn)換器，以迫使其輸出電壓在標(biāo)稱范圍之外變化。 PMbus電壓裕度命令-VOUT_MARGIN_HIGH和VOUT_MARGIN_LOW - 允許通過一對(duì)可以強(qiáng)制電壓高于或低于正常設(shè)置的命令自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試。

將支持的豐富命令集合在一起通過PMbus進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換器測(cè)試，控制和故障監(jiān)控將使工業(yè)系統(tǒng)提高其可靠性和彈性，并有助于支持向IIoT基礎(chǔ)設(shè)施的過渡。