電源アプリケーションにおけるデジタル通信

Mark Hagen、Oleg Volfson

Tweet this article

Share this article

Share this article

役立つ情報を毎月お届けします

購読する

プライバシーを尊重します

1. 最も電力コンバータのための物理層 (PHY) は、I²Cシリアルインタフェース、またはその誘導体のSMBusです。複数のコンバータ回路が単一のインタフェースをホストコントローラと共有できるようにし、サーバーやPCの複数のサブシステムで使用されます。
2. データリンク層は、ホストと電圧変換回路の間で通信される情報を定義します。データは、ICごとに一意に定義されたデータビットを備えたアドレス指定可能なレジスタのセットとして定義できます。または、レジスタは業界標準に従うことができます。 

(I²C、 SMBusおよびPMBusの違いについてはPMBusウェブサイトを参照してください。)

図1: I²C/PMBus信号

I²Cインタフェースは、双方向クロック信号 (SCL) と双方向データ信号 (SDA) を定義します。PMBusは、ステータスを通信するための定義済みのレジスタ / コマンドのセットとともに、アラート信号をこれに追加します。クロックとデータの信号タイミングは、両方の規格で同じです。

PMBus規格では、仕様に準拠していると見なされるには、電源ICが少なくとも1つのPMBusコマンドを実装する必要があると規定されています。ほとんどのPMBus搭載ICは、出力電圧の設定やダイ温度の読み取りなどの一般的なコマンド用にPMBusプロトコルを実装しています。ただし、ほぼすべてのICは、そのIC固有のMFG_SPECIFICレジスタも実装しています。さらに、PMBus標準では、値をインタフェースを介して通信できるデジタルワードにエンコードするために、直接と線形の2つの方法が呼び出されます。直接法の場合、コマンドの値はデバイスのレジスタに定義された整数値です。

線形データ形式

線形データ形式は、浮動小数点値表現の形式です。実際には、ほとんどのデバイスはデータ値のLinear11またはLinear16表現のいずれかを使用します。

Linear11データ形式

このデータ形式には、11ビットの仮数と5ビットの指数があります (図2を参照). 。仮数と指数はどちらも2の補数の整数であり、正または負になります。

図2: Linear11データ形式

式 (1)を使用して、実際の値をLinear11形式に変換します。

X_{REAL WORLD}=Y∙2^N

Nは正または負になり、2^NはY仮数のLSBのサイズを定義します。Linear11形式を使用して表すことができる最小の数値は、±2-16 x 1 = ±15.3e-6です。最大数は±33.5e6です。

符号付きの11ビット整数は-1,024から+1,023になるため、仮数の大きさは512から1,023の間である必要があります。これは、実際の値をPMBus Linear11形式の値としてエンコードする方法を示しています。N = -16から始めて、仮数の大きさが目的の範囲内になるまでNをインクリメントします。

Linear16データ形式

Linear16形式はLinear11と似ていますが、完全な16ビットI²Cコマンドパケットが仮数に使用され、指数が個別に提供される点が異なります (図3を参照) 。たとえば、MPSのMPQ4230昇降圧コンバータは、出力電圧を設定および読み取るVOUT_COMMANDおよびREAD_VOUTにこのフォーマットを使用します。

このデータ形式には、16ビットの仮数と5ビットの指数があります。仮数と指数はどちらも2の補数の整数であり、正または負になります。

図3: Linear16データ形式

式 (2) を使用して、実際の値をLinear16形式に変換します。

X_{real world}=Y∙2^N

5ビットの指数と、Linear16フォーマットを使用して表すことができる最小の数は、依然として±2^-16 x 1 = ±15.3e-6です。しかし、仮数の目標値は、2¹⁴ and 2¹⁵との間に今ある、または16,384と32,767の間です。これにより、出力電圧を設定および読み取るための分解能が向上します。表1に、VOUT_MODEコマンドの定義を示します。

表1: VOUT_MODEコマンド

代表的なPMBusコマンド

PMBusコマンドは、コンバータの出力電圧を設定し、デバイスを有効にし、警告しきい値を超えたかどうかを判断し、障害を報告することができます。 根本的な障害は、MPSのMPM3695-25電源モジュールのSTATUS_WORDコマンドなどのコマンドでリセットできます (表2を参照)。

表2: ステータスワード (アドレス / コマンド0x79)

製造固有のコマンドは、デバイスに固有です。MPM3695-25のMFR_CTRL_COMPコマンドについて考えてみます。STATUS_WORDは多くのICに共通のコマンドですが、MPM3695-25の一定時間補償ループはこのチップに固有のものです。表3に、MFR_CTRL_COMPビットの定義を示します。

表3: MRF_CTRL_COMP (アドレス/コマンド0xD0)

デジタルインタフェースを備えたコンバータのメモリオプション

デジタルバスを介して通信できるコンバータは、使用可能なメモリオプションの点でも異なります。3つのメモリ分類があります。

1. コンバータに永続メモリがありません: この場合、構成はホストマイクロコントローラ (μC) のメモリに保存され、コンバータ構成は起動のたびにロードする必要があります。これにより、設計が簡素化され、コストが削減されますが、起動時にホストμCに電力を供給する手段が必要です。コンバータを起動するには、システムにμC用の個別のバイアスコンバータが必要であるか、デジタルコンバータのデフォルトレジスタが設定値に十分に近い必要があります。MP8843は、I²Cインタフェースを備えた同期降圧コンバータであり、起動するたびに再構成する必要があります。このデバイスは、システムオンチップ (SoC) または同様のデジタルASICのμCコアのコア電圧を微調整する必要があるアプリケーションに最適です。これらのアプリケーションシステムのフラッシュメモリにはファームウェアが含まれており、デバイスのI²Cインタフェースに書き込んでコア電圧を調整し、プロセッサの速度と消費電力を最適化できます。たとえば、MP8843にはいくつかの固有のレジスタがあり、PMBusのオーバーヘッド要件を排除することでコストを最小限に抑えます。
2. ワンタイムプログラマブル (OTP) メモリ: OTPは、大量生産製品向けの費用効果が高く信頼性の高いソリューションです。ただし、ICサプライヤは、アプリケーションごとに一意の部品番号を作成する必要があります。MPSのMP8859は、I²CインタフェースとOTPメモリを備えた4スイッチ昇降圧コンバータの例です。出力電圧、最大電流、スイッチング周波数、および障害回復動作を設定できます。ユーザーのアプリケーションを最適化するレジスタ値を選択するために、グラフィックユーザーインタフェース (GUI) プログラムが提供されています。レジスタ値の完全なセットが決定されると、GUIを使用してそれらを永続的に保存できます。OTPが書き込まれると、格納された値がレジスタのデフォルトの起動値になります。アプリケーションは、起動後もI²Cインタフェースを介してレジスタを変更できます。最終製品の開発中にレジスタ値が決定されると、それらの値は製造時にコンバータのOTPメモリに書き込まれます。MPSは、ICが半導体工場でテストされるときにこれらの値を書き込むため、ユーザーにとってこの製造ステップが不要になります。
3. 不揮発性メモリ (NVM): NVMは最高の柔軟性を提供しますが、コストが高くなります。ユーザーは、NVMの実装に使用されるメモリの種類を知っている必要があります。フラッシュメモリはμCで広く使用されていますが、高温で動作するとすぐに劣化する可能性があり、これは電力変換器でしばしば懸念されます。このため、MPSのような一部企業は製品にフラッシュメモリを使用していません。

MPQ8645Pは、テレコムおよびサーバーアプリケーション用の30Aの並列化可能なポイントオブロード (POL) コンバータです。そのレジスタはPMBus標準に準拠しており、レジスタ値はNVMに複数回保存できます。つまり、ハードウェアは、新しいハードウェアとして組み立て / 製造されているかのように、繰り返し準備とテストを行うことができます。このような場合、ユーザーは、製品開発中に、大量生産時とまったく同じように構成情報を保存する必要があります。

永続メモリのないコンバータICは、多くの場合、レジスタ定義のPMBus標準に準拠していないため、これらの構成レジスタのオーバーヘッドが最小限に抑えられます。最適化されたレジスタがいくつかあるだけで、これらのレジスタの読み取りと書き込みを行うファームウェアを開発する作業は管理可能です。ただし、数十の構成および監視レジスタを備えたデバイスにインタフェースするファームウェアを開発することは困難な場合があるため、レジスタ定義をPMBus標準に準拠させることは非常に価値があります。

結論

電力コンバータにデジタル制御および通信機能を追加すると、システム設計が合理化され、柔軟性と信頼性が向上するため、これらのデバイスを最新の電子システムにうまく統合できます。ただし、これらの機能のメリットを享受するための最良の方法は、設計エンジニアが、デジタルインタフェースと制御、およびこれらのデバイスの特定の命名法を使用したコンバータ設計のさまざまなアプローチに精通することです。