向工業4.0和工業物聯網（IIoT）的轉變認為制造控制系統的各個要素采用更高水平的地方自治，以實現對市場需求的實時適應。在這種環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。識別故障條件的能力是保持高可用性和連續生產的關鍵，并且這延伸到電源，特別是因為功率轉換器由于部件上的高應力而在現場傾向于遭受更高的故障率。高級診斷和在運行系統上熱插拔電源轉換器的能力對于維持正常運行時間非常重要。

PMbus不僅提供監控電源轉換器和相關電路故障和問題跡象的方法，而且還為熱插拔控制提供標準接口。 PMbus最初于2005年3月作為標準發布，它來自系統管理總線（SMbus），它是為控制數據中心服務器中的處理器板而開發的。

SMbus和PMbus都是基于相同的兩線I 2 C總線，但PMbus添加一條警報線，允許總線上的任何節點中斷系統主機。警報線的使用減少了該主站連續輪詢從站進行更新的需要。這是一個重要的特性，因為它有助于降低高可靠性系統中使用的微控制器的軟件開銷。

圖1：在一個內部使用PMbus系統級環境。 [來源：PMbus/SMIF]

使用串行總線，PMbus可以管理電路板上的多個電源轉換器，提供比使用傳統設計方法更精細的控制。 PMbus提供的管理級別使得可以按順序激活每個轉換器。受控啟動可避免對主電源總線的干擾，例如電壓驟降過大。以類似的方式，PMbus提供命令來自動關閉電源轉換器，以便為熱交換事件做好準備。為了在更換插入式電源時向技術人員和維護人員發出指示，PMbus將重要的監控和控制數據傳遞給系統管理控制器。

PMbus數據包結構簡單但能夠處理100多種不同的電源管理命令，可以擴展到當前的1字節命令空間，甚至可以通過2字節的擴展命令結構進行擴展。兩個命令用于控制由PMbus控制器管理的電源轉換器的啟動順序。在開始向下游設備供電之前，TON_DELAY為轉換器在接收到控制信號之后設置等待時間。同樣，TOFF_DELAY用于控制轉換器在禁用其下游組件的電源之前等待的時間。

此外，PMbus控制器可以對輸出電壓進行微調控制。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故障管理至關重要的信息。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。這些消息允許轉換器報告輸入和輸出的過流，過壓和過功率以及超出的溫度限制。應對高可靠性系統中的系統控制器進行編程，以解釋和處理這些故障指示。響應可以是在日志中記錄故障，并且在IoT類型的環境中，將故障中繼到負責協調設備的服務器。

或者，控制器可以采取直接行動。它可以關閉受影響的轉換器，并允許熱備用電源提供電源，直到安裝更換。或者控制器可以重新啟動或嘗試重啟轉換器。命令IOUT_OC_ FAULT_LIMIT和IOUT_OC_FAULT_RESPONSE允許用戶編程過流跳閘閾值，并確定當超過過流限制時轉換器應如何響應。轉換器也可能有硬連線響應。

圖2：兼容設備中PMbus狀態和控制寄存器的典型實現，以支持命令和狀態代碼。 [來源：PMbus/SMIF]

對于凌力爾特公司生產的LTC3882多相DC/DC穩壓控制器，監控比較器在每個脈沖寬度調制（PWM）上檢測到過校正條件）輸出。如果特定通道的瞬時電流超過IOUT_OC_ FAULT_LIMIT命令設置的限值，則控制器立即禁用頂部FET，并且底部FET在周期的剩余時間內保持接通狀態。

操作的進一步變化使用IOUT_OC_ FAULT_RESPONSE編程。硬件響應可能是嘗試繼續正常操作，重新啟動通道并保持重新啟動直到MFR_RETRY_DELAY命令指定的時間間隔或關閉通道。如果系統控制器確定故障可能是臨時故障，則可以使用CLEAR_FAULTS等命令進行重置。如果故障立即再次出現，系統控制器可以選擇進一步操作或重新編程故障響應，以便通道嘗試重新啟動，然后在故障未清除時關閉。

通過其命令結構和與兼容的控制器配合使用，PMbus可以在運行的系統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，確保設備在連接器配合時不會遇到高浪涌電流，或者在電路板突然出現時可能會在高電流時發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FET，以控制向電路板其余部分供電。電路設計需要確保當熱插拔開啟時輸出突然短接到地 - 熱短路時 - 以及當輸出和接地短路時電路板上電時電路正常工作，這是已知的

熱插拔電路的一個關鍵特性是輸出電容的大小，用于幫助平滑電源傳輸到電路板的其余部分。對此電容充電時，FET的總能量消耗是它可以存儲的能量。因此，輸入電壓和電容決定了FET的應力。進一步考慮的是電路板本身的最大負載電流和熱特性，因為這決定了MOSFET應該具有的導通電阻水平。它需要足夠低以保持穩態溫度低于FET的最大熱額定值。

FET需要能夠處理最大系統電壓和瞬態。對于48 V系統，100 V FET應該足夠了。此外，安全操作區域需要能夠處理啟動，熱短路和開始短路的熱交換條件。 LM5066提供的可編程SOA保護設置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器，可以設置該定時器以避免誤跳閘并限制負載事件的持續時間。支持循環模式以幫助確保在插入電源后啟動。

圖3：TI LM5066及其相關熱插拔FET的電路圖。

除電路保護外，LM5066還提供真正的電源保護使用PMbus向系統管理主機發送電源，電壓，電流，溫度和故障數據。集成遙測技術可實現智能電源管理功能，例如效率優化，并且除故障檢測外，還提供電流，電壓和功率平均以及峰值功率測量等功能，以改善系統診斷。

支持的另一項重要功能由PMbus提供的高可靠性系統是對電壓裕度的支持，可用于LTC3882等設備。通常采用電壓裕度來確定由于電源電壓的微小變化IC性能是否會受到過度影響。在此過程中可以檢測到接近其極限且存在故障風險的設備，并在離開生產設施之前進行更換。自動余量使得可以執行現場測試以檢測由老化引起的問題。

使用傳統電源的保證金測試很難執行。它可能要求將電阻器臨時安裝到DC/DC轉換器，以迫使其輸出電壓在標稱范圍之外變化。 PMbus電壓裕度命令-VOUT_MARGIN_HIGH和VOUT_MARGIN_LOW - 允許通過一對可以強制電壓高于或低于正常設置的命令自動執行測試。

將支持的豐富命令集合在一起通過PMbus進行功率轉換器測試，控制和故障監控將使工業系統提高其可靠性和彈性，并有助于支持向IIoT基礎設施的過渡。