一种基于PMBus的电源管理方法刘勇刚论文_刘勇刚

(广东机电职业技术学院,广东 广州 510515)

摘要:本文主要设计了基于PMBus的开关电源数字化管理,通过对电源的输入电压、电流,输出电压、电流,关键元器件的温度,风扇的转速等参数的采集,再对数据处理,可以对电源进行合理的管理和保护;同时,将采集到的电源信息送到中控室,供管理人员参考,并根据具体情况需要,也可进行手动管理。

关键词:电源管理;PMBus;单片机

引言

在数字化时代,为了让电源提供一种可优化系统效率的工具,这就要求数据中心、服务器群甚至更小系统的操作员都要采用数字电源管理。随着信息设备的进一步集中,要多的数据中心被建立。新一代数据中心对供电系统的可靠性及可管理性要求越来越高。特别是IT用户需要对信息设备的供电系统进行更可靠与更灵活的配电、更精细化的管理、更准确的成本消耗等。

1.电源系统方案

电源硬件电路主要由AC-DC整流电路、DC-DC变换电路组成。其中,由于电网对功率因数的要求,AC-DC整流电路还包括PFC(功率因数校正)电路。DC-DC变换电路由于需要实现一、二次侧的安全隔离,因此需要用高频变压器实现能力传输并实现电磁隔离,而对于信号则通常使用光耦来实现。

电源的数字化管理同样包括对一次侧的PFC电路管理和对二次侧的DC-DC电路管理。在这里分别用2个MCU(单片机)来对电源的一、二侧电路分别进行管理。

电源与控制室的通信交互是通过二次侧MCU的I2C接口实现的,采用的是PMBus协议。另外,由一个反激电路产生12V、3.3V两组直流电压供整个电源系统的控制、通信电路使用。系统框图如图1所示。

图1 电源系统框图

2.硬件设计

一次侧交流电输入以后,先经过EMI(电磁干扰)电路滤波,再经过整流桥整流,然后通过PFC电路,输出400V的直流高电压(如图3所示),作为DC-DC变换器的输入。这里的PFC电路采用BOOST电路。PFC电路的电流环路由整流后的输入电压和输出电压的误差信号通过法器来控制。通过调节电流控制信号的平均幅度来控制输出电压。通过输入电压的波形来调节输入电流的波形。

总的来看,该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符合正弦波形,既解决了功率因素补偿问题,也解决电磁干扰(EMI)问题。

二次侧的DC-DC的变换电路采用交错并联双管正激电路,输入为400V直流,输出为12V(或其他电压等级)直流,供负载使用。它是在双管正激变换器的基础之上,结合多通道交错并联技术,可以实现多路双管正激的交错并联,从而能够进一步获得更优的性能。在实际应用当中,也可采用半桥、全桥等电路拓扑。

PMBus是一种开放型标准的数字电源管理协议。可通过物理接口以及命令语言来实现变换器与其他设备的通信。PMBus的传输层是基于低成本的SMBus(系统管理总线),这是个功能强健、符合工业现场应用标准的I2C串行总线的版本,具有分组校验和主机通知的功能。在本设计中,电源与监控室的通信就是通过它来完成的,具体的电路如图2所示。

图2 PMBus连接示意图

3.软件设计

系统软件采用模块化编程思想,每个功能模块的完成相应独立的任务,由主程序不断调用各功能模块,来对整个电源进行不断监控,并将检测到的实习信息送给监控室,如果有异常情况发生马上进行报警或关机处理,并将异常情况记录在EEPROM中,以供查询。

在风扇控制部分中,单片机主要检测4台风扇的工作电流、电压和8个风扇(每台风扇实际含有两个风扇:一个抽风,一个吹风,增大排风量)的转速,启动或停止风扇。如果检测到的风扇工作电流过流,单片机会停止风扇并通过点亮产品外部的风扇指示LED灯报警。对于风扇转速的控制,设计了两者方式,第一种是通过PMBus,即由人工在控制室设定风扇的转速;第二种是由单片机根据检测到的电源温度来自适应调整风扇转速,在最大程度上节约能源。

在电源管理部分,单片机采集12V输出的电压及电流,辅助电源3.3V的输出电压及电流,12V和3.3V的过压信号,环境温度,二次侧关键器件温度,外部给入的待机信号(如待机信号)等。其中,由于12V和3.3V输出电压会供外部服务器系统使用,为避免电源过压导致客户系统损坏的严重问题,输出过压保护采用外部中断的保护形式,极大的提高了保护反应速度。同样,单片机不断循环检测上述的电压、电流模拟量,并将模拟了进行A/D转换后保存起来并提供给控制室监控。如果这些参数不在给定的范围之内,单片机将发出报警信号或关断电源进行保护。程序流程图如图3所示。

图3 二次侧程序流程图

电源与监控室通过6个引脚来连接。第1个是时钟信号SCL;第2个是数据信号SDA;第3-5个是用来确定电源在系统中的位置信息,分别用A0、A1、A2来表示;第6个是E2PROM的写保护。通过PMBus监控室可以获得电压、电流、风扇速度、温度等信息。

4.小结

本文通过传统开关电源与单片机的结合,大大简化了开关电源控制电路的设计。同时,基于PMBus通信,使人们能够方便、快捷地了解电源的实时工作状况,并能进行远程控制,提升电源系统的可靠性和智能化程度。

参考文献

[1]王志强等译:开关电源设计(第二版) 北京:电子工业出版社2005.

[2]Power System Management Protocol Specification

[3]张迎新等 ST7通用单片机原理及应用,北京航空航天大学出版社,2004,第一版.

论文作者:刘勇刚

论文发表刊物:《知识-力量》2019年9月32期

论文发表时间:2019/7/19

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