Einführung
Der Power Management Bus (PMBus) ist eine etablierte Technologie, die eine Spezifikation für die digitale Überwachung und Steuerung von Stromversorgungen und -systemen definiert. Basierend auf einem offenen Standardprotokoll ist er flexibel, bietet umfassende Funktionen und ermöglicht die Kommunikation zwischen einer Vielzahl von Geräten.
Die PMBus-Konformität garantiert jedoch keine Zuverlässigkeit eines Stromversorgungsgeräts oder -systems.
Stattdessen obliegt es dem Entwicklungsingenieur, die Fähigkeiten von PMBus zu verstehen und sein Stromversorgungsgerät oder -system in die Lage zu versetzen, auf die von PMBus bereitgestellten Daten zu reagieren.
PMBus ist ein standardisiertes Kommunikationsformat, und es gibt Branchengremien, die an diesem und anderen Standards für Energieanwendungen arbeiten. Allerdings gibt es viele undefinierte Bereiche, in denen der Standard neue Anwendungen und Anwendungsfälle nicht abdeckt. Daher müssen Ingenieure über entsprechende Entwicklungserfahrung, ein Verständnis der Systemfunktionalitäten und die Fähigkeit zur strukturierten Implementierung und zum Testen verfügen.
In diesem Blogbeitrag erklären wir, wie PMBus als Sensornetzwerk für die vorausschauende Wartung eingesetzt werden kann, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und RMA-Fälle sowie ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren. Außerdem zeigen wir, wie einfach die Einrichtung und Verwaltung mit dem Flex Power Designer ist.
Was PMBus definiert und was nicht
PMBus basiert auf den I²C- und SMBus-Protokollen. Es definiert zwei unterschiedliche Bereiche:
- Die physische und elektrische Umsetzung der Kommunikationsverbindungen
- Ein standardisierter Befehlssatz, der zur Kommunikation verwendet werden kann
Darüber hinaus spezifiziert PMBus weder die Architektur des Stromversorgungssystems noch dessen Bauform oder die verwendeten Komponenten. Der Bus arbeitet mit einer maximalen Geschwindigkeit von 1 MHz, legt aber die Abtastrate für die Datenerfassung nicht fest.
Es gibt zahlreiche Standardbefehle, darunter solche zum Auslesen von Telemetriedaten wie Ausgangsspannung und -strom (READ_VOUT, READ_IOUT) sowie Temperatur (READ_TEMPERATURE_1). Der Standardbefehlssatz umfasst außerdem Befehle zur Gerätesteuerung, beispielsweise zum ferngesteuerten Ein- und Ausschalten. Hersteller können diese Befehle anpassen und eigene definieren.
Zuverlässige Daten beschaffen
Entwickler müssen berücksichtigen, dass die Datenintegrität von PMBus auf der Übertragung von TTL-Signalpaketen beruht, sodass hohe Rauschpegel die Daten verfälschen können. Um die Integrität zu gewährleisten, unterstützt PMBus die Paketfehlerprüfung (PEC).
Neben der Verwendung von PEC sollten PMBus-Systeme auch Adressen validieren und das SMBALERT-Signal # überwachen, über das Zielgeräte den Controller über einen Fehlerzustand informieren können. Das System sollte Clock Stretching unterstützen, bei dem ein Zielknoten den Taktpegel niedrig halten darf, um mehr Zeit für die Datenverarbeitung zu erhalten.
Bei der Datenerfassung sollte das Stromnetz geeignete Abtastraten verwenden. Dies können hohe Raten (10–50 Hz) bei transienten Vorgängen und im Umfeld von Ereignissen sowie niedrige Raten (0,1–1 Hz) für die Langzeitdrift sein.
Zuordnung von Telemetriedaten zu realen Fehlermodi
PMBus kann viele Arten nützlicher Daten liefern, aber wir müssen genau verstehen, welche PMBus-Werte welche Beeinträchtigungen in einem Netzteil anzeigen.
Die folgende Tabelle zeigt vier der wichtigsten Fehlerarten in Netzteilen und die Symptome, anhand derer sie identifiziert werden können. Anschließend werden die PMBus-Signale aufgeführt, die überwacht werden können, um festzustellen, ob eines dieser Symptome auftritt – so wird eine frühzeitige Warnung vor potenziellen Problemen ermöglicht und vorbeugende Wartung gewährleistet.
Um die erfassten Daten optimal zu nutzen und Anomalien zuverlässig zu erkennen, können Entwickler eine gleitende Basislinie verwenden. Dabei werden pro Signal ein exponentiell gewichteter gleitender Durchschnitt (EWMA) und eine Varianz (EWVAR) berechnet, die, wenn möglich, durch die Umgebungstemperatur normalisiert werden.
Der Entwickler kann geeignete weiche und harte Grenzwerte sowie die entsprechenden Aktionen definieren. Beispielsweise könnte eine geringfügige Änderung der EWMA lediglich ein Serviceticket oder eine Warnung auslösen, während eine schwerwiegendere Änderung eine sofortige Abschaltung zur Folge hätte. Kontextbewusstsein ist erforderlich, damit das System bei bekannten Ereignissen wie einer geplanten Lüfterkurvenänderung keine unnötigen Alarme auslöst.
Automatische Risikominderung vor dem Ausfall
Sobald eine Anomalie identifiziert wurde, müssen daraus Aktionen im PMBus abgeleitet werden. Zum Beispiel:
- Bei geringer thermischer Reserve kann das System die Phasenspreizung auf parallelgeschalteten Schienen erhöhen (Hersteller MFR_PHASE) und die maximale Last (IOUT_OC_WARN_LIMIT oder Leistungsbegrenzung) vorübergehend reduzieren.
- Bei steigenden Verbindungsverlusten kann das System die Ablaufsteuerung anpassen, um gleichzeitige Einschaltströme zu reduzieren, indem die Schienen mithilfe von TON_DELAY/TOFF_DELAY versetzt geschaltet werden. Es kann außerdem ein Wartungsfenster auslösen, während der Systembetrieb aufrechterhalten wird.
- Bei Verdacht auf Instabilität kann das System, sofern unterstützt (Hersteller MFR_COMP_*), die Kompensationsparameter anpassen, in einem kontrollierten Zeitfenster testen und anschließend im nichtflüchtigen Speicher (NVM) speichern.
Flex Power Designer macht es einfacher
Um die Systemkonfiguration und -optimierung so einfach wie möglich zu gestalten, bietet Flex Power Modules das kostenlose Softwaretool Flex Power Designer an. Dieses Tool ist nicht auf Produkte von Flex Power Modules beschränkt, sondern unterstützt auch generische Produkte und kann somit in nahezu jedem System eingesetzt werden.
Für ein PMBus-System könnten die vom Flex Power Designer unterstützten Aufgaben beispielsweise Folgendes umfassen:
- Einrichtung: Verbindung über eine PMBus/USB-Brücke herstellen, Geräte erkennen, Seiten und Namen zuweisen
- Monitor: Live-V/I/T beobachten, CSV-Protokoll erstellen, Schienen einblenden, Ereignisse kommentieren
- Simulieren: Transiente Lasten und Regelkreisverhalten, Phasenreserve vor Hardwareänderungen abschätzen
- Sequenz und Spur: TON_RISE, TOFF_DELAY und Tracking visuell einstellen, optimale Konfiguration exportieren.
- Automatisierung: Skriptfähige Workflows zum Anwenden von Soft Limits, Export von Protokollen in CMDB/Ticketing-System
Zur Validierung und Implementierung ermöglicht Flex Power Designer Benchtests, A/B-Vergleiche und die Härtung für die Produktion.
Schlussfolgerungen
PMBus kann sich als prädiktive Plattform als unschätzbar wertvoll erweisen, da es verwertbare Daten liefert, die vorbeugende Wartung ermöglichen und die Zuverlässigkeit verbessern.
Um mehr zu erfahren und eine kostenlose Testversion von Flex Power Designer zu erhalten, besuchen Sie www.flexpowermodules.com.