有電流限制的多重轉(zhuǎn)換冗余電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

引言

　　高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu) (ATCA) 標(biāo)準(zhǔn)提供了一種設(shè)計(jì)電信設(shè)備的模塊化方法。該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的采用不但加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)而且還簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。 在 ATCA 構(gòu)架中，每一個(gè) Carrier Blade 設(shè)備都要包括多達(dá) 8 個(gè) AMC 模塊，而這些模塊均需要熱插拔保護(hù)。載波板為每個(gè) AMC 模塊提供了兩個(gè)主要電源：一個(gè) 3.3V 管理電源以及一個(gè) 12V 有效負(fù)載電源。為了幫助設(shè)計(jì)人員滿足這些要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款全功能雙插槽 AdvancedMC™ 控制器 TPS2359，以提供支持兩個(gè) AMC 模塊所必須的所有保護(hù)和監(jiān)控電路。該控制器全面集成了管理電源浪涌控制、過電流保護(hù)以及 FET ORing 功能。添加兩個(gè)外部電源晶體管可為每一個(gè)有效負(fù)載電源通道提供所有這些相同的功能。圖 1 顯示了雙通道 AMC 應(yīng)用的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，兩個(gè)通道均由同一個(gè)電源供電。也可使用獨(dú)立的電源為這兩個(gè)通道供電。

圖 1 利用 TPS2359 雙通道控制器為兩個(gè) AdvancedMC 供電的應(yīng)用的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖該獨(dú)特的控制器集成了有效負(fù)載電源和管理電源通道的精確的電流限制功能。有效負(fù)載電源電流限制的每個(gè)通道使用三個(gè)外部電阻，以滿足 8.25A+/– 10% ATCA 規(guī)范。管理電源電流限制的每個(gè)通道使用一個(gè)外部電阻，以滿足 195mA +/– 15% 的規(guī)范。

高精度電流限制

　　圖 2 顯示了該控制器的有效負(fù)載電流限制電路的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。放大器 A1 通過感應(yīng)檢測(cè)電阻器兩端的電壓來監(jiān)控負(fù)載電流 ILOAD。管理電源通道使用了相類似的電路，所不同的是集成了電阻器 RSENSE 和 RSET。

圖 2 有效負(fù)載電源電流限制電路示意圖電流限制電路包括兩個(gè)放大器：A1 和 A2。放大器 A1 使得外部電阻器 RSET 兩端的電壓與外部電阻器 RSENSE 兩端的電壓相等。流經(jīng) RSET 的電流同時(shí)也會(huì)流經(jīng)外部電阻器 RSUM，從而就在 SUMA 引腳上生成了一個(gè)如下式所示的電壓：

放大器 A2 會(huì)檢測(cè) SUMA 引腳上的電壓。只要該電壓保持在 675mV 以下，放大器就會(huì)向 PASSA 供應(yīng) 30µA 的電流。當(dāng) SUMA 引腳上的電壓超過 675mV 時(shí)，放大器 A2 就開始從 PASSA 吸收電流。導(dǎo)通 FET MPASS 的柵—源電壓會(huì)一直下降，直到放大器 A2 的兩個(gè)輸入端上的電壓平衡為止，則流經(jīng)該通道的電流就等于：

為了設(shè)置一個(gè) MicroTCA™ 規(guī)范所要求的 8.25A 電流限制，選擇 RSET = 417。 最新的 EIA 標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器為 422。該電阻器使得系統(tǒng)可以為一個(gè) 80W AMC 模塊供電。有效負(fù)載和管理通道都有其自己的可編程默認(rèn)定時(shí)器。只要各自的通道進(jìn)入電流限制，則這些定時(shí)器就會(huì)開啟。如果一個(gè)通道處于電流限制狀態(tài)時(shí)間過長(zhǎng)且默認(rèn)定時(shí)器超時(shí)，該通道就會(huì)將導(dǎo)通 FET 關(guān)閉并報(bào)告錯(cuò)誤狀態(tài)。管理通道集成了一個(gè)過溫 過溫關(guān)斷 (OTSD) 特性。如果由于內(nèi)部導(dǎo)通電阻附近的裸片溫度超過了大約 140C 管理通道保持在電流限制狀態(tài)的時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么 OTSD 特性就會(huì)發(fā)生跳變。一旦出現(xiàn)這種情況，運(yùn)行在電流限制狀態(tài)的管理通道就會(huì)關(guān)閉。這一特性避免了時(shí)間過長(zhǎng)的故障對(duì)內(nèi)部導(dǎo)通晶體管的損壞。電流限制反饋環(huán)路具有特定的響應(yīng)時(shí)間。諸如短路負(fù)載之類的嚴(yán)重故障要求有一個(gè)快速的響應(yīng)以避免對(duì)導(dǎo)通 FET 的損壞或電壓軌電壓驟降。TPS2359 包括了一個(gè)快速跳變比較器，該比較器會(huì)在這些條件下關(guān)閉該通道(盡管在本文中未談及這一問題)。此外，該控制器還支持使用了一個(gè)更多阻斷 FET 的ORing 功能。這一特性可以阻斷當(dāng)輸出—輸入差動(dòng)電壓超過 3mV 時(shí)的反向傳導(dǎo)。多重轉(zhuǎn)換冗余

　　ATCA 系統(tǒng)通常都要求冗余并行電源。MicroTCA 規(guī)范倡導(dǎo)了一種冗余技術(shù) ，該技術(shù)需要一個(gè)微控制器來獨(dú)立限制每一個(gè)電源的電流。負(fù)載所吸引的電流不能超過各個(gè)電源電流限制之和。 一種可用的替代運(yùn)行模式是多重轉(zhuǎn)換冗余。無論工作電源的數(shù)量如何，其都可以將負(fù)載電流限制在一個(gè)固定值。在一個(gè)多重轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中去除或插入電源均不會(huì)影響負(fù)載的電流限制。該技術(shù)不需要微控制器，從而使得與上述 MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)中所描述的冗余方法相比顯得更簡(jiǎn)單和快速。這對(duì)于要求不必完全符合 MicroTCA 電源模塊標(biāo)準(zhǔn)的 AMC 應(yīng)用而言是一個(gè)頗具吸引力的方法。

圖 3 有效負(fù)載電源電流限制使用多重轉(zhuǎn)換功能的應(yīng)用為了實(shí)施多重轉(zhuǎn)換冗余，將冗余通道的 SUM 引腳連接在一起，并在該節(jié)點(diǎn)到接地之間綁定一個(gè) RSUM 電阻器。不像 MicroTCA 冗余結(jié)構(gòu)那樣(在結(jié)構(gòu)中每一個(gè)電源都有其自己的電阻器 RSUM)，RSUM 需要駐留在多重轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的背板之上。圖 3 顯示了有效負(fù)載電源使用多重轉(zhuǎn)換功能的一種應(yīng)用?，F(xiàn)在，電流限制閾值將適用于冗余電源所提供的電流的總和。在有效負(fù)載電源通道上實(shí)施多重轉(zhuǎn)換冗余時(shí)，所有通道必須都使相同的 RSENSE 和 RSET 值。

結(jié)論

　　ATCA 是第一個(gè)解決電信設(shè)備電源要求的開放性標(biāo)準(zhǔn)。就 ATCA 而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的電源管理挑戰(zhàn)包括有限的電流限制、高可用性冗余電源、熱插拔要求、故障保護(hù)以及復(fù)雜性的狀態(tài)監(jiān)控。在 TPS2359 以緊湊的 36 引腳 QFN 封裝實(shí)現(xiàn)了高精度電流限制電路、獨(dú)特的多重轉(zhuǎn)換特性以及所有必要的保護(hù)和監(jiān)控電路的整合以后，這些問題都迎刃而解了。TPS2358 具有所有相同的功能性，但占用了一個(gè) 48 引腳 QFN 封裝的面積，該封裝可支持使用外部控制和指示(而不是 I2C™ 接口)的設(shè)計(jì)。