系统管理总线(SMBus),系统管理总线电压

('系统管理总线(SMBus)【摘要】系统管理总线（SMBus）是一个两线接口，通过它各种设备之间以及设备与系统的其它部分之间可以通信。它基于I2C操作原理。SMBus为系统和电源管理相关的任务提供一条控制总线。一个系统利用SMBus可以和多个设备互传信息，而不需要独立的控制线路。【关键词】系统管理总线（SMBus）；I2C；通信SystemManagementBusLuQiushengBeijingInformationTechnologyCollege/PC：100050Abstract：SystemManagementBus（SMBus）isatwolineinterface；bywayofSMBuseachequipmentandequipmentwithsystem’sotherunitecancommunication.SMBus’workingfunctionbasedonI2C.SMBusisonecontrolbuswhichcancarryoutthecommunicationfunctionforsystemandpowersystemmanagement.BywayofSMBusonecanmakeeachequipmentcommunicationandnotneedanindependentcontrolline.Keywords：SMBus；I2C；communication1.系统管理总线（SMBus）系统管理总线（SMBus）是一种双线接口，通过SMBus可以使挂在SMBus上的有关部件相互通信，SMBus主要基于I2C技术，SMBus是用于系统和与电源管理有关任务的控制总线，采用SMBus可以简化系统的设计，便于系统的扩展。通过SMBus可以由有关器件提供制造商的有关信息，告知系统它的模块/部件号，保持一个事件的状态信息、报告各种错误类型、接受控制参数、并返回系统的工作状态信息。SMBus可用于电路系统设计、大规模集成电路（VLSI）设计和为系统管理总线芯片写程序支持代码的应用场合。SMBus技术文件主要有V1.0、V1.1和V2.0三个版本[1]，V1.0总则部分在1995.02.15发布，V1.1版本在1998.12.11发布，V2.0版本由智能电池系统（SBS）实施论坛（SBS-IF）在2000.08.03发布。SMBus技术文件V2.0主要由Duracell；Inc.；EnergizerPowerSystems；Inc.；Fujitsu；Ltd.；IntelCorporation；LinearTechnologyInc.；MaximIntegratedProducts；MitsubishiElectricSemiconductorCompany；PowerSmart；Inc.；ToshibaBatteryCo.Ltd.；UnitrodeCorporation；USARSystems；Inc.等公司推出[1]。SMBus技术文件V2.0主要由简介、总体特性、层1-物理层、层2-数据链路层层3-网络层、附录A：可选SMBus信号、附录B：I2C与SMBus的异同、附录C：SMBus器件的寻址等部分内容组成[1]。做为数控电源系统，需要一个用于电源通信管理的工业标准协议，在这个标准协议中需注意以下几方面的问题，首先这个协议对电源系统设计人员而言要简单、易懂和易学，并且造价要低，SMBus就是一个很好的应用实例。系统管理总线（SMBus）标准涉及三类设备。主设备、从设备，接收或响应命令的设备。主设备用来发布命令，产生时钟和终止发送的设备。主设备是一种专用的设备，它提供与系统CPU的主接口。主设备必须具有主从机功能，并且必须支持SMBus通信协议。在一个系统里只允许有一个主设备。1998年，智能电池系统接口论坛（SBS-IF）发布了SBS1.1和SMBus1.1，在SMBus1.1中的主要技术改进是在每个SMBus通信数据包的结尾引入了可选的数据包错误检测（PEC）字节，这个8比特数据包错误检测（PEC）字节是采用标准的数据包内容循环冗余校验和纠错检错（CRC）方法。2000年，SBS-IF发布了SMBus2.0，即所谓基于PCI的SMBus，SMBus2.0中充许器件的地址被动态分配，然后，外设元件互联特殊兴趣小组（PCI-SIG：PeripheralComponentInter-connectSpecialInterestGroup）（在2000.10.20日）将它PCI连接器的第40和41引脚分配给SMBus的时钟和数据信号。在2000年，SBS-IF公布了它用于Windows的SMBus的驱动程序，和微软的SMBus驱动程序不同，SBS-IF推出的SMBus驱动程序可以用于Windows98系统，并且工作时不需借助于嵌入式控制器。SMBus的主要任务由负载点联盟POLA（PointofLoadAlliance）和分布式电源开放标准联盟DOSA（Distributed-PowerOpenStand-ardsAlliance）加以赋予。采用SMBus的主要优点如下。（1）像I2C一样造价低。（2）比I2C更鲁棒。延迟到特定定时点强迫总线复位。（3）比I2C有更多的新特性。1）SMBALERT#信号线用于终端控制；2）数据包出错检测（PEC）；3）主机报告协议。（4）在常规电技术性能上和I2C兼容。2.I2C总线与特点I2C总线接口技术标准创建于1982年，Philips发明I2C总线接口技术的初衷是要解决在同一块电路板上或同一机柜里电子部件之间的通信问题，I2C总线为一双线串行总线，一条为串行信号线（SDA），一条为串行时钟信号线（SLK）。1987年Philips公司为I2C总线申请了美国专利，通过I2C总线使挂在同一I2C总线上的器件之间完成通信，通信内容包含通信命令、控制数据和控制信息，这些信息可以在主控设备和被控设备之间共享。I2C总线的简单应用场合是有一个主控器件来完成通信控制工作，由于I2C总线使用简单，所以I2C总线得到了广泛的应用，I2C总线的技术指标也在不断的改进，现I2C总线已获得了更高的通信速度和更广的寻址控制范围。（1）I2C总线最主要的优点I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控（multimastering），其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。（2）I2C总线的特点1）只要求两条总线线路，一条是串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL；2）每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器；3）它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏；4）串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s；5）连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF的限制。3.SMBus的适用范围SMBus技术文件V2.0主要介绍了有关SMBus的电性能、网络控制环境和SMBus器件使用的通信协议等内容，这些可以通过7层OSI网络模型的前3层协议（物理层、数据链路层和网络层）加以理解[1]。SMBus的主要目的是定义智能电池、智能电池充电器和系统微控制器之间的通信问题。但是，SMBus也可用于连接电源有关的器件、系统传感器、EEPROMs等器件，使相互之间完成通信任务，SMBus技术文件V2.0是V1.0和1.1版本的更高级版本，V2.0和版本V1.0、1.1版本在技术上是兼容的。SMBus是I²C总线的一种具体应用，在SMBus中规定了数据通信协议、有关器件寻址方式、有关具体数据传输命令的电气技术要求，SMBus主控设备的信息传输和有关智能器件的信息传输等技术内容。4.SMBus的特点SMBus是一种可以挂接多个器件的双线双向串行总线[1]，总线主控制器和总线从控制器可以连接到SMBus总线上。SMBus总线可以用于小功率和大功率电路的应用场合，V1.0和V1.1针对小功率的应用场合，例如智能电池或更低功率器件的应用场合，V2.0主要针对更高功率的电性能指标和更高驱动性能的应用场合，例如SMBus器件和PCI板卡之间通信的应用场合。图1表示采用SMBus总线的电路拓扑结构，在图1中分别采用了VDD=5V和VBUS=3V的两组电源供电，这里VDD=5V±10%。SMBCLK和SMBDAT为双向传输信号，通过上拉电阻接RP至电源供电VDD。当总线上无数据传输时，SMBCLK和SMBDAT信号线均为高电位，接至SMBus总线上的器件输出应为集电极开路输出，以便实现线与逻辑功能，在设计SMBus总线器件的输入和输出级时需注意，以便在它们的供电关断时不要有对地的电流通路形成。当SMBus总线器件发出一个“0”电平时应使总线电位为低电位，当SMBus总线器件发出一个“1”电平时应使总线电位为高电位。总线电位可以通过上拉电阻或一个电流源将总线电位拉高，在总线分布电容较大的应用场合，在电路上应采取适当的措施，以确保总线上高低电位变化速度能满足电路的技术要求。SMBus总线上拉电路如图2所示，附加技术要求如下[1][3]。1）在400pF容性负载和2.7kΩ到3.3V供电的上拉电阻条件下的最大下降时间为300ns；2）在20pF容性负载和2.7kΩ到3.3V供电的上拉电阻条件下的最小下降时间为10ns；3）在去掉电源供电的工作条件前，SMBus应处于三态工作状态；4）如果系统没有供电输入，应不给SMBus加电加载。5.SMBus总线支路电路模型图3为SMBus总线的电路连接模型，为使电路具有例如智能电池的热插拔工作特性和具有ESD保护功能，使用时应加一只串联电阻RS2。SMBus器件和连接的等效串联电阻（ESR）应不大于1.1kΩ，以确保能满足SMBus总线在小功率应用场合对低电平VOL；MAX的技术要求，图3所示电路模型也适用于大功率的应用场合，由于小功率和大功率应用场合的不同，所以有关元器件的参数可能有所不同。上拉电阻RP的参数值和系统电源供电VDD和SMBus总线的分布电容值有关，如果SMBus总线的电源供电采用电流源（IP），电路的工作性能会更好些，但是，电路的造价可能会高些。图3中的二极管为ESD保护二极管，ESD保护二极管在例如有可插拔的SMBus器件（例如智能电池）的应用场合是非常有用的。多个SMBus总线器件的连接如图4所示[5]。6.SMBus总线在智能电池系统中的应用智能电池系统（SBS）是指采用了总线技术的电池系统。智能电池利用内部电子线路来测量、计算和存储电池的有关数据，使电源的使用和管理更加可预测使用更方便。现在智能电池已广泛应用于笔记本电脑、不间断电源、手机和便携式电子等产品中。智能电池极大的简化了电池系统的设计，还能防止意外的系统停机。一个基本的智能电池系统（SBS）系统由系统管理总线（SMBus）、智能电池充电器和智能电池三个基本部分组成。智能电池配有专门的硬件，用以提供电池的现有有关状态信息，将计算出的有关信息或预测出的有关信息传送到SMBus，并由软件控制主控充电设备对电池的充电。智能电池系统（SBS）的模块化特性使得设计闭环电池充电系统变的非常方便，这样的系统允许采用电池组独立充电器（智能充电器），智能电池对高可靠性电池备份的应用场合非常重要。与非智能电池系统相比，智能电池系统需要不断地与系统主控制器交互信息，使电池系统的构成增加了复杂性。智能电池系统有关部件的连接框图如图5所示[2][4]。例如在笔记本电脑的智能电池系统中，系统主控制器需要实时地与电池系统交互信息，以确定何时应该对电池充电或放电，以及面向使用者实时提供电池容量的有关信息，在Windows7系统下有关信息如图6所示。从图6可以看出，在笔记本电脑的智能电池系统中可以显示当前电源供电的来源、使用电池数量、电池当前电量、电池报警、休眠等信息，笔记本电脑智能电池系统的电池控制信息设定显示界面如图7所示[6]，电池系统的电源选项设置界面如图8所示。正是这种信息交互，使系统控制主机和使用者能更准确地掌握电池的状态（例如电池有效容量、当前充/放电率、历史累计充放电次数、预测寿命等状态信息），从而使电池的使用非常方便。智能电池系统（SBS）可以极大提升电池组的使用性能。充电对锂离子电池造成危害的途径主要有三种：电池充电电压过高；充电电流过大（过大充电电流会引起电池发热）；不能正确地终止充电过程，或在过低的温度下对锂离子电池充电。在设计锂离子电池充电器时需采取额外的预防性措施以避免出现这些问题，以确保锂离子电池充电系统有关工作参数在安全的范围内。例如智能电池充电器要求允许-9%的电压偏差，并强调正偏差不得超过1%，以确保符合智能电池充电的安全标准。但是，在实际应用中，电池充电电压偏差的正负是随机的，所以应使充电器的目标电压值误差要小，一般设定在额定值的-4%的范围内。由于电池充电电压的不准确（无论是-4%还是-9%），电池始终处于充电不足的状态。据统计，即使充电后电压只比额定值低0.05%，锂离子电池容量的下降却高达15%，所以锂离子电池充电电压的准确性很重要。对充电环境更详细的检测可以改善锂离子电池的充电效率。即使在最理想的情况下，假设充电器的精确度为100%，充电通路上位于充电器电池间的电阻元件会引入额外的电压降，特别是在锂离子电池的恒流充电阶段。由于电阻引入的电压降会随充电电流的降低而逐渐减弱，充电器最终会完成充电过程，但电池的充电时间会延长。这些额外的压降会导致充电过程过早地从恒流进入恒压充电阶段，而影响电池充电的准确性和充电效果。最理想的充电状态是充电器的输出准确地消除了电阻电压降的影响。理想的智能充电系统应能提供两个或更多个SMBus端口，这样，两个或更多个电池就可以同时与充电器通信了，从而使两个或更多个电池可以被同时充电[6]。一个好的智能电池管理系统(SBS)可以实现更完全、更快速的充电过程管理，同时进行高效的电池放电过程管理，并对危险情况（例如电池充电电压超限）实现检测和进行快速反应，将电池充到真实的容量，避免智能电池充电器由于监视电压不准（例如一般电池充电精度为-4%到-9%）而造成的充电不足。7.小结通过以上的讨论可以看出，利用SMBus可以极大地改善电源管理系统的可控性，提高电源管理系统的工作可靠性，并改善电源系统的监控特性。由于SMBus的使用提高了电源系统的工作性能。参考文献[1]SystemManagementBus(SMBus)SpecificationVersion2.0August3,2000.[2]SmartBatterySystemSpecificationsSmartBatteryDataSpecificationRevision1.1.December11,1998.[3]RobertV.White，IntroductiontothePMBus,ArttesynTevhnologies,Chair,PMBusSpecificationWorkingGroup,May2005.[4]PartIGeneralRequirements;TransportandElectricalInterfacePMBusPowersystemManagementProtocolSpecification;Revision1.15February2007.[5]PowerSupplyManagementInterfaceDesignGuideRevision2.12.[6]Windows7operatingsystem.程维东（1976—），女，讲师，主要从事电子技术的教学和科研工作。王昭玲（1968—），女，副教授，主要从事电子技术的教学和科研工作。',)