1 前言
由于數字電源的控制靈活、結構變化靈活、調節、維護方便和造價低的一系列優點，代表了電源技術的發展方向。而在數字電源中，總線技術發揮了很重要的作用，本文結合數字電源中常用的總線技術加以介紹。
2 I2C總線
I2C總線是英文“Inter Integrated Circuit Bus”的縮寫，常譯為“集成電路間總線”或“內部集成電路總線”。I2C總線以它強大的控制能力和精巧的電路結構，得到各生產廠家的認可。目前，I2C總線在許多電子產品中得到了廣泛應用。
I2C總線接口的有關技術指標最早在1982年確定。Philips公司將I2C總線以簡單雙線接口的形式首先推出，用于在同一塊電路板或機柜中的有關電子部件之間實現通信，1987年Philips公司擁有了I2C總線的專利。在I2C中有兩條信號線，一條用于時鐘信號的傳輸，一條用于數據信號的傳輸，通過I2C總線，可以在主控部件和從控部件之間完成有關命令、控制和工作信息通過兩條串行信號線來傳輸。I2C總線的最典型應用就是通過一個主控部件來完成有關部件之間的通信控制。由于I2C總線的使用簡單性，所以目前I2C總線得到了廣泛的應用，I2C總線的有關性能不斷得到提高，通信速率和尋址范圍也在不斷提升。
作為工業標準，I2C總線作為一種很有吸引力的物理通信方式，在ACCES bus、SM Bus、PSMI和IPMI工業標準總線中，I2C總線的有關技術指標也被引用。I2C總線可以應用于許多的微控制器，并且在許多應用場合，利用通用的I/O引腳，通過軟件也可以驅動I2C總線。例如，在1991年，由一些公司牽頭開發了ACCESS bus(存取總線，簡稱A.b)，這里利用了I2C總線作為它的物理通信層，從而使ACCESS bus具有使能被控器件的能力，ACCESS bus被用作是一種改進的、簡化的、規范的和靈活多用的方法來連接計算機的內部，外部器件到CPU，它支持像時鐘和電池電能監控等器件的工作，并且也支持鍵盤、鼠標、顯示器和調制解調器的工作。在1995年，ACCESS bus工作組(ABIG)發布了V3.0技術文件版本，一些公司(例如：USAR和日本Fujitsu公司都參加到了ABIG的活動中，并在智能電池系統接口論壇Smart Battery system Interface Forum：SBS-IF)中積極參與工作。
2.1 關于I2C總線
I2C總線是串行總線系統，I2C總線由兩根線組成，一根是串行數據線，常用SDA表示;另一根是串行時鐘線，常用SCL表示。CPU利用串行時鐘線發出時鐘信號，用串行數據線發送或接收數據，實現對被控電路的調整與控制。由于I2C總線只有兩根信號線，因此數據的傳輸方式是串行方式，其數據傳輸速度低于并行數據傳輸方式，但I2C總線占用CPU的引腳很少，只有兩個，有利于簡化CPU的外圍線路。
在I2C總線系統中，CPU是核心，I2C總線由CPU電路引出，其他被控對象均掛接在I2C總線上，I2C總線系統電路結構示意圖如圖1所示。
圖1 I2C總線系統電路結構示意圖
2.2 I2C總線接口電路
I2C總線上傳輸的是數字信號，如果I2C總線上掛接的被控集成電路為模擬電路，為便于與被控模擬電路通信，在被控對象中需要增加I2C總線接口電路，受控IC中I2C總線接口電路工作原理圖如圖2所示。接口電路一般由I2C控制器和控制開關等電路組成。由CPU送來的數據信息經譯碼器譯碼后控制信號才能對被控IC執行控制操作。被控對象通過I2C總線接口電路接收由CPU發出的控制指令和數據，實現CPU對被控對象的控制。
I2C總線是雙向總線系統，通過I2C總線CPU可以向被控IC發送數據，被控IC也可通過I2C總線向CPU傳送數據，但被控IC是接收數據還是發送數據則由CPU控制。由于I2C總線是雙向總線系統，因此CPU可以對I2C總線上掛接的有關電路進行故障檢查。
對生產自動化調整功能的電器，可將生產線上的計算機與電器的I2C總線相連，根據電器不同調整項目的預置功能和要求，將最佳調整數據傳送到電器的E2PROM存儲器中，也可將標準數據固化在CPU的只讀存儲器中。采用I2C總線的電器節省了很多可調電位器，簡化了調整工藝，產品的一致性好，工作可靠性高。
圖2 I2C總線系統的電路結構示意圖
2.3 I2C總線系統的功能
以CPU為核心的I2C總線系統，主要用完成以下幾個功能。
⑴用戶操作功能
用戶在使用電器時，通常要進行有關控制參量的調節、控制等操作，操作時只需按動本機鍵盤或遙控器鍵盤上的相應按鍵，CPU便通過I2C總線向被控電路發出有關控制指令。
⑵維修調整功能
完成對被控電器各單元電路進行工作方式設定和調整的控制功能。在普通電器中，是利用可調電位器進行有關單元電路的各種工作參數調整。而在I2C總線的被控電器中，這些參數都可由操作人員進行專門的調整狀態后，通過遙控器或本機操作鍵來完成有關工作參數的調整。⑶故障自檢功能
由于I2C總線上的信息是由SDA和SCL兩線串行數據信號線雙向傳輸的，因此CPU可以對I2C總線的通信情況和被控集成電路的工作狀態進行監測，并在屏幕上顯示檢測結果，為維修人員提供有關故障自檢信息。被控器送來的低電平應答信號，CPU就會判斷該被控器有故障，并終止數據傳送。由于各被控集成電路和器件均有自己的地址，所以，在總線上不同時間傳送著眾多的控制信號，但各被控器只要把與自己地址相同的控制信號從總線上取下來，并進行識別和處理，得到相應的控制信號，就可以實現相應的控制。
2.4 I2C總線系統的控制過程
⑴CPU與存儲器之間的數據交換
I2C總線系統中的存儲器存儲有兩種信息：一是用戶信息，是用戶寫入的控制信息，此信息用戶可以更改，如各種模擬控制量(例如電源的OVP、OCP、OTP和所需輸出電壓值等);另一種是控制信息，是由廠家寫入的控制數據，此信息用戶不能改變。電器正常工作時，CPU從存儲器中取出有關用戶信息和控制信息，并送往被控電路使其處于正常工作狀態;當調整電器時，CPU也從存儲器中取出控制信息，檢修人員使用正確的調試步驟來改變這些控制信息，以確保采用I2C總線的電器處于最佳工作狀態。
⑵CPU對被控電器的控制過程
CPU對采用I2C總線的被控電器控制需經過以下過程。
①CPU尋址過程。當CPU要對某被控器進行控制時，CPU將向總線發出該被控器的地址指令，被控器收到指令后，便發出應答信息，CPU總線收到應答信息后，就將該被控器作為控制對象。
②CPU調用數據過程。CPU找到被控器后，就從存儲器中調出相應的用戶信息及控制信息，并通過I2C總線送到被控器，使被控器處于所要求的工作狀態。
③被控器執行指令的過程。被控器接收到指令后，便對指令進行譯碼，并將譯碼的結果與自己的控制內容編碼進行比較，以確定進行何種操作，這項工作是由總線接口電路中的譯碼器來完成的。確定進行何種操作后，總線接口電路中的相應控制開關便自動接通，控制數據經過控制開關送到D/A轉換器，轉換成模擬控制電壓，用以控制相應的模擬電路，完成有關操作。I2C總線數據傳送最繁忙的時刻是在采用I2C總線電路的剛開機一瞬間，由于被控電路沒有存儲數據的功能，因此，每次開機時CPU都要從存儲器中取出控制數據，送往各被控器，使被控器進人相應的工作狀態。因此，剛開機時CPU的控制任務最繁重，控制過程最復雜，損壞的可能性也就最大，所以使用I2C總線的電器應盡量避免頻繁開/關機。
根據電器功能的強弱以及在I2C總線上掛接的被控電路的不同，在I2C總線采用的CPU上可引出一組或多組I2C總線。
由I2C總線控制的集成電路或器件必須具有專用的總線端子，即SDA端子與SCL端子。凡是具有SDA、SCL端子(引腳)的集成電路或器件，均可以由總線控制。
2.5 I2C總線信號的傳輸方式
I2C總線中的兩根信號線(SDA、SCL)在傳輸各種控制信號的過程中是有嚴格分工的。其中，SDA數據線用來傳輸各控制信號的數據及這些數據占有的地址等內容;SCL時鐘線用來控制器件與被控器件之間的工作節拍。為保證總線輸出電路得到供電，SDA線和SCL線均通過上拉電阻和電源連接，當總線空閑時，SDA和SCL兩線均保持高電平。I2C總線控制信號傳輸波形如圖3所示。
圖3 I2C總線控制信號傳輸波形
(1)時鐘線控制信號
SCL線為高電平期間，SDA線上傳輸的數據必須保持穩定，在此期間，控制器件與被控制器件之間可以交換數據;SCL線為低電平期間，SDA線上傳輸的數據可以變化，即允許數據線上電平高低跳變。
(2)數據線控制信號
數據線上傳輸的控制信號，均按圖3所示的內容和順序先后傳輸：起始狀態信號、被控電路地址、讀寫方式(數據傳輸方向位)、應答信號、數據信號、應答信號、數據信號、應答信號、終止狀態信號。
在時鐘線為高電平期間，數據線上一個電平由高到低的跳變規定為起始狀態，電平由低到高的跳變規定為終止狀態，起始狀態信號和終止狀態信號均由CPU發出。當CPU發出起始狀態信號后，總線即處于占用狀態;當CPU發出終止狀態信號后，總線又處于空閑狀態。在SDA線上傳輸的數據，其字節為8位。前7位是被控電路的地址，第8位是數據傳輸的方向位，“0”表示由CPU發送數據，“1”表示CPU接收數據。每傳輸一個數據字節后，跟著一位應答(確認)信號，這個應答信號是由CPU發出的，在應答位時鐘期間，CPU釋放數據線，以便被控器在這一位上送出應答信號。
當被控器的數據接收無誤時，被控器發出低電平應答信號，經確認后的數據才有效。當數據被確認后，CPU便可以繼續傳送數據并繼續對數據加以確認，直到CPU發出終止狀態信號為止。若在應答位時鐘期間，CPU未接收到被控器送來的低電平應答信號，CPU就會判斷該被控器有故障，并終止數據傳送。由于各被控集成電路和器件均有自己的地址，所以，在總線上不同時間傳送著眾多的控制信號，但是各被控器只要把與自己的地址相同的控制信號從總線上取下來，并進行識別和處理，得到相應的控制信號，就可以實現相應的控制。
2.6 I2C總線系統與外部電路的連接方式
I2C總線系統的外部電路結構簡單，它與被控電路之間的連接方式有直接式和隔離式兩種。
(1)直接式I2C總線
直接式I2C總線是指被控集成電路直接或通過電阻掛在I2C總線上，其電路工作原理圖如圖4所示。因為CPU的I2C總線輸出端口內部電路形式為集電極開路(或漏極開路)形式，所以在CPU的I2C總線輸出端必須通過上拉電阻R接+5V電源，為CPU的I2C總線輸出端口的內部電路供電。圖4中的電阻R為隔離電阻，C為抗干擾電容，主要是為了提高I2C總線上數據傳輸的可靠性，防止誤動作進人維修狀態和防止由于外部干擾信號改變I2C總線數據。穩壓管VS是為了防止外部高電壓損壞CPU的I2C總線輸出端的內部電路。
圖4 直接式I2C總線工作原理圖
(2)隔離式I2C總線
隔離式I2C總線是指CPU引出的總線通過隔離器與被控集成電路相連接。隔離器一般由晶體管組成，其電路工作原理圖如圖5所示。這種電路的優點是CPU與被控集成電路被晶體管隔離器隔離開，當被控對象發生故障使I2C總線上電壓升高時，晶體管會截止，從而保護CPU不被高電壓沖擊而損壞。
圖5 隔離式I2C總線工作原理圖2.7 I2C總線系統與外部電路的有關引腳
(1)CPU與I2C有關的引腳
采用I2C的CPU除了設置SCL串行時鐘線引腳和SDA串行數據線引腳外，一般還設置了便于工廠生產線調試使用的I2C通/關閉控制引腳。當CPU的I2C通/關閉控制引腳接規定電平時，CPU便將I2C總線的控制權交給了生產線調試計算機，此時CPU不能通過I2C所掛接的電路進行控制。
在電路圖上，I2C通/關閉控制引腳常用Bus OFF(總線關閉)、Service(維修)、EXT BUS(外部總線)、TEST(測試)、FACTORY(工廠)來表示。圖6所示為I2C通/斷控制工作原理圖。例如CPU的第36引腳EXT BUS為I2C通/關閉控制端，正常工作時，CPU的第36引腳為高電平。接插件BC為生產調試時CPU的I2C外部計算機的連接插口，生產調試時，生產線計算機通過BC與此CPU相連，BC④引腳接地，使CPU的第36引腳EXT BUS變為低電平，CPU的I2C總線42、43引腳停止輸出。電器的I2C系統由外部計算機接管。
圖6 I2C通/斷開控制工作原理圖
在對具有I2C功能的CPU進行檢查時，不要忘記檢測I2C通/關閉控制引腳。如果此引腳工作條件不正確，則CPU不能向I2C發出時鐘和數據信號，導致整個電器不能進人正常工作狀態。
(2)被控電路與I2C有關引腳
I2C掛接的被控集成電路，除SCL和SDA引腳外，還有與I2C總線接口電路有關的其他引腳，如果這些引腳的工作條件發生變化，也會使I2C總線接口電路不正常工作，從而使電器出現故障。下面介紹幾個比較重要的與I2C總線接口電路有關的引腳。
①I2C總線接口電路專用電源引腳(受控IC數字電路電源引腳)
掛接在I2C總線上的受控集成電路大多屬于模擬電路，而受控集成電路中的I2C總線接口電路則屬于數字電路。為避免數字電路與模擬電路之間的互相干擾，常為數字電路與模擬電路設置單獨的供電端子，即設置I2C總線接口電路專用電源端子(或數字電路電源引腳)。如果I2C總線接口電源端子沒有電壓，則這塊集成電路不能正常工作。
現在的集成電路常為不同功能的電路單獨設置電源和接地端子，因此除了注意檢查主電源引腳電壓外，千萬不要忘記檢查其他電源引腳。
集成電路數字電源端電壓一般為5V、3.5V或3V等低電壓。數字電路電源端子常用以下方式標注：I2LVCC邏輯電路電源;DVCC數字電路電源;DVDD數字電路電源;DIGVDD數字電路電源;D.GND數字電路地線等。
②輔助地址選擇引腳
CPU通過I2C總線對被控電路的地址進行選擇，有時為了擴展I2C總線的功能和電路上的要求，在有些被控電路上還設有輔助地址選擇引腳，只有對輔助地址選擇引腳進行正確的設置后，CPU才能通過I2C總線對這一電路進行控制。當被控電路的輔助地址選擇引腳電路出觀故障時，將會造成I2C總線無法控制該電路，使整機電路功能不正常。在電路圖上，輔助地址選擇引腳常用ADDRESS(地址)、ADR(address地址)、ADDSEL(address selection地址選擇)、MAD(module address組件地址)等英文表示。
3 PM Bus
3.1 關于PM Bus
PM Bus是屬于系統管理實施論壇(System Implementers Forum：SM-IF)的一個開放性標準，用于定義功率集成電路，所有類型的功率變換電路(例如AC/DC，隔離的DC/DC，非隔離的點負載(POL)變換器和微處理器供電的變換器等)之間相互通信的一種開放性通信協議。
有關PM Bus的有關技術文件可以免費得到，并且任何對PM Bus感興趣的公司都可以參與到SM-IF論壇中。
電源管理總線接口論壇(PM Bus-IF)是系統管理接口論壇(SM-IF)的一部份，是一個非盈利性質的工業標準化組織。
由主要電源產品供應商、半導體公司和有關軟、硬件產品供應商參于的PM Bus接口論壇(PM Bus-IF)所制定的PM Bus是一種開放的電源系統標準，目前PM Bus接口論壇有30多個成員，其目的是要促進PM Bus的推廣和使用，電源管理總線(Power Management Bus：PM Bus)是關于電源系統的一個標準。
在PM Bus中充分定義了電源系統中的變換器和其它相關部件之間的有關命令語句，PM Bus控制協議是建立在系統管理總線(SM Bus)的串行通信協議基礎上，利用PM Bus可以實現有關編程、控制和有關電源變換產品的實時監控，是一種用于電源部件之間的模擬和數字信號控制的一種方便、實用的通信控制方式，有良好的互操作性，利用PM Bus可以簡化電源系統的設計和節省電源系統的設計周期。目前使用PM Bus的有關公司各單如下：
Active-Semi
Analog Devices,Inc.
Artesyn Technologies,Inc.
Astec of Emerson Network Power
ATC Power Systems
Cherokee International
CHiL Semiconductor Corporation
ColdWatt
Dell
Delta Electronics
Ericsson Power Modules
Fairchild Semiconductor
Infineon
Integral Wave Technologies
Intel
International Rectifier
Intersil Corporation
Linear Technology
Maxim Integrated Products, Inc.
Micro Computer Control Corporation (MCC)
Microchip
Murata
National Semiconductor
NXP
ON Semiconductor
Power Plaza
Primarion
Richtek
Roal Electronics
RRC Power Solutions
Silicon Laboratories
Sili con Storage Technology
STMicroelectronics
Texas Instruments
Tyco Electronics Corp.
Unipower Corporation
Vicor
Volterra Semiconductor Corporation
Zilker Labs到目前為止，電源系統各部份電路之間的通信已不是一個新的概念，在電源系統和主控電路單元之間的通信已使用了許多年，最早采用使電源系統工作和被監控的通信控制方法，電源系統的工作狀態被主控電路加以監控。
微控制器(MCU)是一種可以很好應用于電源管理的器件，利用微控制器可以實現電源系統更為復雜和有效的控制和監控，最早使用的電源控制命令就是電源的開/關控制命令，隨后，隨著在電源系統中微控制器件的使用，就可以很方便的實現電源輸出電壓/輸出電流等相關工作參數的控制。例如，利用一個“digi pot”的簡單部件就可以通過微控制器來調節電源系統的電壓檢測信號和電流檢測信號的參數，而“digi pot”這類的器件又是許多采用I2C總線優勢的器件之一。利用I2C總線可以實現存儲器、顯示器、傳感器和電源控制集成電路之間的互連。
早在1995年，通過各種各樣的總線，(例如RS-232、單線(One Wire)、SPI和I2C等)完成了電池管理工作，這時對通信管理的物理接口、命令、數據格式均沒有統一的工業標準。Intel公司和Duracell公司合作開發了智能電池系統SBS(Smart Battery System)，其目的想要做出一個與電池類型無關的高級和精確的電池管理系統，并且使這個智能電池管理系統適用于不同的可充電電池生產廠商生產的可充電電池的充電管理，并降低智能電池管理系統支持多種通信控制協議的負擔，這個物理通信協議就是系統管理總線(SM Bus)，而命令語言就是智能電池數據SBD(Smart Battery Data)。
系統管理總線(SM Bus)是I2C總線的一個版本，是智能電池系統(SBS)的物理層。智能電池系統(SBS)的上一層發出命令，并在智能電池系統元件之間實現有關命令的響應，智能電池、智能充電器和智能選擇器利用SM Bus的通用命令就可以完成相關控制信息的傳送和響應。這些命令有許多是和I2C中的命令相同的，利用這些命令可以完成電池容量和工作條件的監控。同時更為重要的是，智能電池系統(SBS)中的電池或主控電路還可以對智能充電器發出控制命令，利用這些控制命令來設定充電器的輸出電壓、輸出電流和其它一些重要的工作參數。在大多數情況下，輸出電壓命令的分辨在mV數量級，輸出電流命令的分辨率在mA數量級，利用SM Bus可以完成和可充電電池類型無關的充電器系統的管理和控制。
1996年，由Intel和Duracell公司發起成立的智能電池管理系統接口論壇(SBS-IF)。為了保持智能電池系統(SBS)和SM Bus的優越性，其它一些相關公司也參與到了論壇的工作，特別是美國德州儀器TI公司參與了電源管理總線接口論壇(PM Bus-IF)的工作。
在筆記本電腦的硬件電路中智能電池系統(SBS)和SM Bus已得到了廣泛的應用，在Windows2000系統中也含有SM Bus的軟件驅動程序。
智能電池系統(SBS)和SM Bus有關技術內容的發展是和高級結構與電源接口(ACPI：Advanced Configuration and Power Interface)的有關技術內容的發展同步進行的。ACPI的第1版本在1996年12月公布，其中，Intel公司發揮了重要的作用，對與操作系統和電源管理(OSPM：Operating System-directed Configuration and Power Management)應用方面有關的內容，ACPI是一個很重要的內容。如果要實現SBS和支持SBS系統的SM Bus，需要用到和高級結構與電源接口(ACPI)兼容的有關系統。
1998年，SBS-IF發布了SBS1.1和SMBus1.1版本。SMBus1.1中的主要特點是在每個SM Bus通信數據包的末位加了可選數據包檢錯字節，采用8位的循環冗余糾錯檢錯算法(CRC-8)。
2000年，SBS-IF發布了SMBus2.0，即所謂基于PCI的SM Bus。SMBus2.0中允許器件的地址被動態分配，然后，外設元件互聯特殊興趣小組(PCI-SIG：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)(在2000.10.20日)將它的PCI連接器的第○40和○41引腳分配給SM Bus的時鐘和數據信號。
在2000年，SBS-IF公布了它用于Windows的SM Bus的驅動程序。和微軟的SM Bus驅動程序不同，SBS-IF推出的SM Bus驅動程序可以用于Windows98系統，并且工作時不需借助于嵌入式控制器。
作為源于1998年的另一個應用實例，Intel公司公布了它的智能管理接口平臺IPMI(Intelligent Platform Management Interface)。IPMI1.0采用I2C總線作為它的物理層，IPMI1.5可以使用SM Bus 1.1，并且具有使所傳送的數據包出錯的檢測功能。
作為數控源系統，很需要一個用于電源通信管理的工業標準協議，在這個標準協議中需注意以下幾方面的問題：首先這個協議對電源系統設計人員而言要簡單、易懂和易學，并且造價要低。這里I2C總線就是一個很好的例子，智能電池系統(SBS)采用SM Bus用于可充電電池充電器和背光照明系統的電源管理已有一段時間了。
在2004年，由電源管理總線(PM Bus)開發為主的一些公司推出了電源管理用的工業標準，PM Bus采用SM Bus做為它的物理通信層，并且支持SM Bus中的如可選控制信號線。在現行的PM Bus 1.0中沒有地址仲裁功能，PM Bus的技術指標被分為2部份，第1部份規范了物理層的有關技術指標，第二部份規范了命令層的有關技術指標。同樣，和在SM Bus智能電池系統(SBS)中界定了便攜式電源管理的方法一樣，在PM Bus中也界定了電源子系統的管理方法。
SM Bus的主要任務由負載點聯盟POLA(Point of Load Alliance)和分布式電源開放標準聯盟DOSA(Distributed-Power Open Standards Alliance)加以賦予。
在2005年，智能電池系統接口論壇(SBS-IF)又被更名為系統管理接口論壇(SM-IF)，并且經過重新組合，形成2個論壇，即SBS論壇(SBS-IF)和PM Bus接口論壇(PM Bus-IF)。組織利用了SBS和PM Bus的共生關系，SBS工作組利用SM Bus來進行筆記本電腦中的電源管理和控制已有10余年的時間，所有這些對PM Bus的開發與使用都有很大的幫助。
在2005年3月PM Bus接口論壇推出了PM Bus的1.0版本有關技術文件，目前有30多個公司使用PM Bus，利用PM Bus可以簡化數字電源系統的設計。
3.2 PM Bus的系統結構圖和有關命令類型
PM Bus的系統結構圖如圖7所示，有關命令類型如表1所示。
圖7 PM Bus的系統結構圖
表1 PM Bus的有關命令類型