PMBus/I2C電源管理プロトコル：テレメトリと制御

なぜ電源に「通信プロトコル」が要るのか

サーバーやネットワーク機器の基板には、CPU・メモリ・ASIC・PHYなど電圧の違う負荷ごとに、十個以上の電源レール（DC-DCコンバータやPOLレギュレータ）が並びます。これらを個別のアナログ配線で監視・制御すると、レールごとにイネーブル線・電圧監視線・電流検出線が必要になり、配線も部品も爆発します。この問題を2線のシリアルバスとコマンド体系に置き換えたのがPMBus（Power Management Bus）です。1本のバスに多数の電源デバイスをぶら下げ、ソフトウェアから各レールの電圧・電流・温度を読み、出力電圧を変え、オン/オフやシーケンスを指示できます。分散電源アーキテクチャの全体像は /power/point-of-load-distributed-power/ を、デジタル制御の中での位置づけは /power/digital-power-control/ を参照してください。

PMBusの正体は「物理層＋コマンド辞書」の二層構造です。物理層は SMBus（System Management Bus）、すなわちI2Cをベースに電気仕様とタイミングを厳しめに規定したバスを使います。その上に、電源管理に特化した標準コマンドコードと、値を運ぶデータ形式を定義したのがPMBus仕様です。

物理層：SMBus（I2C）の上に立つ

PMBusの物理層はI2Cと同じ2線、SCL（クロック）とSDA（データ）です。マスタ（ホスト、BMCやコントローラ）がクロックを供給し、各電源デバイスは7ビットのスレーブアドレスを持ちます。基本のトランザクションはI2Cそのもので、START条件、アドレス＋R/Wビット、各バイトごとのACK/NACK、STOP条件で構成されます。

PMBus（SMBus/I2C）の基本転送 ── 例: コマンドを書く

  S | SlaveAddr+W | A | CommandCode | A | DataLow | A | DataHigh | A | [PEC | A] | P

   S = START,  P = STOP,  A = ACK,  W = 書き込み方向ビット
   レジスタ選択にあたるのが「コマンドコード」1バイト

SMBusはI2Cに対して、運用上重要な追加規定をいくつか持ちます。第一にバスのタイムアウトです。スレーブがSCLを長く引っ張りすぎる（クロックストレッチ）とバスがハングするため、SMBusは下限クロック周波数（おおむね10kHz、25〜35msのタイムアウト）を定め、固まったバスをマスタが回復できるようにします。第二に PEC（Packet Error Code）によるパケット誤り検出で、これは後述します。第三が ALERT# 線で、デバイスが異常を能動的に通知する割り込み機構です。クロックは標準100kHz、PMBus 1.2以降は400kHz、1MHzもオプションで規定されます。

コマンド体系：標準化された「電源の語彙」

PMBusの価値の中核は、コマンドコードが標準化されていることです。コマンドコードはレジスタアドレスのように働く1バイトで、仕様書が用途ごとに番号を割り当てています。代表例を挙げます。

この標準化のおかげで、メーカーやモデルが違うデバイスでも同じソフトで監視・制御できます。たとえば「全レールの出力電圧を読む」処理は、各デバイスに READ_VOUT を投げるループとして書けます。マージンテスト（出力を意図的に少し高め/低めに振って回路が許容範囲で動くか検証する出荷試験）は、VOUT_MARGIN_HIGH/LOW に振れ幅を設定し、OPERATION コマンドのマージンビットで上振れ/下振れ/通常を切り替えるだけで実行できます。これがアナログ配線では到底できない、ソフト駆動の電源管理です。

データ形式：LINEARとDIRECT

コマンドで運ぶ数値の解釈には2つの形式があり、ここを取り違えると値が桁単位でずれます。

LINEAR形式 は、整数の仮数を2のべき乗の指数でスケールする浮動小数的な表現です。出力電圧以外の量（入力電圧・電流・温度・電力など）は LINEAR11 を使い、16ビットワードを「5ビットの符号付き指数 + 11ビットの符号付き仮数」に分けて 実値 = 仮数 × 2^指数 で復元します。出力電圧（VOUT系）だけは精度を稼ぐため別扱いで、16ビット全部を仮数とする LINEAR16（ULINEAR16） を使い、指数は VOUT_MODE コマンドで別途与えられます。

LINEAR11 の復元（READ_IOUT などで使用）:

  16ビットワード = [ 指数 e : 上位5ビット(符号付き) ][ 仮数 Y : 下位11ビット(符号付き) ]
  実値 = Y × 2^e

  例) e = -6, Y = 320 のとき
      実値 = 320 × 2^-6 = 320 / 64 = 5.0 (A)

LINEAR16 / VOUT（READ_VOUT などで使用）:

  実値 = V × 2^(VOUT_MODE の指数)
  V は16ビットの仮数（指数は VOUT_MODE で別途取得）

DIRECT形式 は、デバイスごとの係数で生の整数を実値に線形換算する方式です。送出側では Y = (m × X + b) × 10^R で、X が実値（電圧・電流など）、Y がバス上の2バイト整数、m（傾き）・b（オフセット）・R（10のべき乗のスケール）はデバイスが定義します。ホスト側は逆算 X = (Y × 10^-R - b) / m で実値を得ます。LINEARはデバイス非依存で扱いやすく、DIRECTは係数さえ知ればADC特性をそのまま素直に表現できる という違いがあり、どちらを使うかはデバイスが決めます。

PEC：CRCで化けたコマンドを弾く

電源バスは長い配線やノイズの多い環境を通るため、コマンドやデータが化けると、意図しない電圧設定や誤ったオフ指示につながりかねません。これを防ぐのが PEC（Packet Error Code）です。PECは、転送に含まれる全バイト（スレーブアドレス・R/Wビット・コマンドコード・データ）を多項式 x^8 + x^2 + x + 1（CRC-8）で計算した1バイトのチェック値で、転送末尾のSTOP直前に付加します。

PEC（CRC-8）の対象 ── 例: 書き込みトランザクション

  対象バイト列 = [SlaveAddr+W] [CommandCode] [Data...]
  PEC = CRC8( 上記の全バイト )     多項式: x^8 + x^2 + x + 1

  受信側で再計算した CRC と末尾PECが不一致 → NACKまたは
  STATUS_CML（通信・メモリ・ロジック障害）フラグを立てて拒否

受信側はバイトを受け取りながら同じCRCを再計算し、末尾のPECと一致しなければそのコマンドを実行しません。代わりに STATUS_WORD の CML（Communication, Memory, Logic）ビットを立て、ホストが異常を検知できるようにします。PECは1ビット誤りはもちろん、バーストエラーも高い確率で検出するため、安全に関わる電圧設定やオン/オフを誤って実行する事故を実質的に防げます。PEC対応はオプションですが、サーバー電源など信頼性が要る用途では有効化が前提です。

運用上の役割 ── 監視・保護・遠隔制御の実体

PMBusが現場で果たす役割は三層に整理できます。第一は テレメトリ。BMC（Baseboard Management Controller）が各レールの電圧・電流・電力・温度を定期的に読み、消費電力の可視化、効率の算出、温度上昇の早期検知に使います。サーバーの「このCPUレールが何ワット」という値の多くはPMBus経由です。第二は 保護とフォルト記録。デバイス側で過電流・過温度の閾値（OT/UV/OV/OCの各 _LIMIT コマンド）を設定でき、異常時はデバイス自身が遮断しつつ ALERT# と STATUS で通知します。ホットスワップ電源の挙動は /power/hotswap-efuse/ とも連動します。第三は 遠隔制御。出荷後のマージンテスト、フィールドでの出力電圧微調整、リモートからのオン/オフ・シーケンス変更を、基板を触らずソフトから行えます。

まとめ

• PMBusは SMBus（I2C派生）の物理層 に、電源管理用の 標準コマンドコード辞書 を載せた2線プロトコル。十数レールの監視・制御を専用配線からバスとソフトに置き換える。SMBusはI2Cにタイムアウト・PEC・ALERT#を足したもの。
• コマンドはレジスタ的な1バイトのコードで標準化され、READ_VOUT/IOUT/TEMPERATURE のテレメトリ、VOUT_COMMAND の電圧設定、VOUT_MARGIN＋OPERATION のマージンテスト、TON/TOFF_DELAY のシーケンス制御が機種横断で書ける。
• 数値形式は LINEAR11（指数×仮数）・LINEAR16（VOUT専用、指数は VOUT_MODE）・DIRECT（Y=(m·X+b)·10^R）の3つ。形式と係数を先に確定しないと同じバイト列が別の値になる。
• PEC（CRC-8） が全バイトを保護し化けたコマンドの誤実行を防ぐ。ALERT#＋ARA はポーリングなしで障害源を特定し、STATUS_WORD/系統別STATUSで詳細を切り分ける。これが監視・保護・遠隔制御という運用上の役割を支える。
• 関連は /power/digital-power-control/・/power/point-of-load-distributed-power/・/power/datacenter-power-architecture/・/power/hotswap-efuse/ を参照。