電源管理：ATCA 和 MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)引發(fā)集成

引言

為了順應(yīng)計(jì)算、通信以及工業(yè)市場(chǎng)在技術(shù)方面的快速進(jìn)展，PCI 工業(yè)計(jì)算機(jī)制造集團(tuán) (PICMG?) 開(kāi)發(fā)出了高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu) (ATCA) 和 MicroTCA (μTCA、uTCA、MTCA 或 mTCA) 開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已被廣泛采用。2005 年 PICMG? 就采用了該標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了關(guān)于機(jī)械、機(jī)架管理 (shelf management)、配電、散熱以及連接器的要求。

減少舊系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作并降低成本是催生這些標(biāo)準(zhǔn)的主要原因，因?yàn)檫@些舊系統(tǒng)的實(shí)施與要求會(huì)隨不同的應(yīng)用以及不同的廠商而有所不同。由于更廣泛地采用了新的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，從而為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商和電信設(shè)備制造商 (TEM) 創(chuàng)造了許多商機(jī)。一般的標(biāo)準(zhǔn)做法是開(kāi)發(fā)高度集成的硅芯片解決方案，以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提升性能，同時(shí)降低板級(jí)空間要求、降低成本并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。ATCA 及 MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)目前正備受 TEMS、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商、通信系統(tǒng)集成商以及子系統(tǒng)制造商的青睞。

此外，PICMG? 還規(guī)定了一種稱為 AdvancedMC 的規(guī)范，這是一種夾層子卡模塊，該模塊能夠擴(kuò)展、新增或升級(jí) ATCA 載波卡的功能。AdvancedMC 模塊可以集成數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、微處理器、可編程硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)、通信組件或任何可用于此類系統(tǒng)的連接組件。事實(shí)上，該模塊可集成用戶所需要的所有功能，對(duì)于需要高可靠性和擴(kuò)展性的系統(tǒng)而言，該模塊尤其有用。此外，該模塊還可用來(lái)擴(kuò)展功能或擴(kuò)展冗余。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義，ATCA 載波卡最多可支持 8 個(gè) AdvancedMC 模塊（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）。

圖 1 典型的 ATCA 載波卡

MicroTCA 是 PICMG? 補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)，其允許在分布式系統(tǒng)中使用 AdvancedMC 子卡模塊。MicroTCA 專門(mén)優(yōu)化用于要求更小外形尺寸和更低成本的系統(tǒng)。在 MicroTCA 中，最多可以將 16 個(gè)模塊直接插入背板，整個(gè)架構(gòu)所集成的 16 個(gè)模塊如下：12 個(gè)具備所需功能的 AdvancedMC、2 個(gè) MicroTCA 載波集線器 (MCH) 及 2 個(gè)制冷裝置。圖 2 顯示了具有 8 個(gè)模塊的 MicroTCA 載波集線器。

圖 2 MicroTCA 模塊

熱插拔功能

PICMG? 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)各個(gè) AdvancedMC 模塊的 –48V、12V 主有效負(fù)載電源及 3.3V 管理電源軌規(guī)定了熱插拔電源管理要求，其中包括浪涌電流限制、電流限制保護(hù)以及 ORing 控制。PICMG? 標(biāo)準(zhǔn)將 12V 電源軌定義為最大功率輸出為 80W 的有效負(fù)載電源 (PWR) 通道，而實(shí)際的功率輸出限制取決于個(gè)別的模塊設(shè)計(jì)。3.3V 電源軌則被定義為電流上限為 150mA 的管理電源 (MP) 通道。各個(gè)模塊都需要有電流限制的功能，以避免瑕疵的 AdvancedMC 載波卡造成系統(tǒng)的其他部分故障。

在專用系統(tǒng)中，以及在 ATCA 和 MicroTCA 被廣泛采用之前，這些要求依系統(tǒng)而異，并且一般都是針對(duì)各個(gè)電源軌使用分立熱插拔控制器和 ORing FET 控制器。由于各個(gè)解決方案都各不相同，因此要想創(chuàng)建通用的熱插拔控制架構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化整體解決方案是一大難題。下面將舉例說(shuō)明該標(biāo)準(zhǔn)如何協(xié)助簡(jiǎn)化熱插拔及 ORing 控制。由于 MicroTCA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在容納 12 個(gè) AdvancedMC、2 個(gè) MCH 以及 2 個(gè)制冷裝置，因此總共需要 32 個(gè)獨(dú)立的熱插拔控制器，或具有電流限制的 16 個(gè) 12V 熱插拔通道和 16 個(gè) 3.3V 熱插拔通道。在冗余系統(tǒng)中，ORing MOSFET 控制系統(tǒng)可用來(lái)取代 ORing 二極管，以降低高電流 12V 有效負(fù)載電源通道的功耗。這些系統(tǒng)另外還需要 16 個(gè) ORing FET 控制器，因此總共需要 64 個(gè)集成電路才能發(fā)揮所需的功能。在加入外部熱插拔 MOSFET、ORing 二極管以及用來(lái)設(shè)定熱插拔控制器的電流限制、定時(shí)器、欠壓鎖定和其他參數(shù)的無(wú)源組件之后，實(shí)施所必備的組件超過(guò) 465 個(gè)以上，而支持這 16 個(gè)插槽所需的組件空間則需要占用 3000 mm2 以上的板級(jí)空間。

標(biāo)準(zhǔn)化能夠開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)化的解決方案來(lái)控制熱插拔、ORing 控制以及電流限制。在 ATCA/MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世以前，各種要求和工作條件使得集成的熱插拔電源管理器的設(shè)計(jì)顯得效率低下且不實(shí)用。為了滿足電路板以及極為不同的工作要求，過(guò)去一直都采用一般性的解決方案來(lái)滿足系統(tǒng)要求，以至于犧牲了性能和成本效益。因此，設(shè)計(jì)這些分立式熱插拔系統(tǒng)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了的巨大挑戰(zhàn)和壓力。

在迅速地?cái)U(kuò)大采用 ATCA 及 MicroTCA 之后，設(shè)計(jì)人員則面臨智能型集成在嚴(yán)格的要求與時(shí)機(jī)方面的挑戰(zhàn)。如圖 3 所示，TPS2359 是一款雙插槽 AdvancedMC 熱插拔控制器，這類器件都是通過(guò)一個(gè)集成電路進(jìn)行多個(gè)通道的控制和熱插拔功能的。

TPS2359 能夠進(jìn)行兩個(gè) AdvancedMC 插槽的全面電源控制，并且完全符合 AdvancedMC 標(biāo)準(zhǔn)。該器件可通過(guò)熱插拔和 ORing FET 控制來(lái)控制 12V PWR 和 MP 兩個(gè)通道。低電流 MP 通道都是通過(guò)集成的 MOSFET 和電流分流進(jìn)行內(nèi)部處理，而 PWR 通道則使用外部 MOSFET 以實(shí)現(xiàn)最佳的整體系統(tǒng)解決方案。

圖 3 TPS2359 雙插槽控制器

通過(guò)直接控制各個(gè) PWR 和 MP 通道，TPS2359 可充分利用智能型平臺(tái)管理總線 (IPMB) 所需的 I2C 接口，并且可以針對(duì)電流限制、故障時(shí)間及電源良好閥值調(diào)整等對(duì)其進(jìn)行編程。各個(gè)通道都有 6 個(gè)可通過(guò) I2C 進(jìn)行讀取的狀態(tài)位，這些位會(huì)指出電源良好、短暫過(guò)電流、故障、快速跳變 (fast trip) 、熱插拔 FET 狀態(tài)，以及 ORing FET 狀態(tài)。電源良好、熱插拔及 ORing FET 狀態(tài)能使系統(tǒng)得知通道的運(yùn)行一切正常。I2C 接口增加了系統(tǒng)的靈活性，以構(gòu)建有助于預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為及故障的歷史記錄。這種可編程性免去了使用外部組件的麻煩，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，縮小了解決方案的尺寸并降低了成本。6 x 6 mm 的 36 引腳 QFN 封裝大大降低了所需的板級(jí)空間。

相較于前面探討的分立式 16 插槽 MicroTCA 系統(tǒng)實(shí)施，基于 TPS2359 的實(shí)施則能夠?qū)岵灏?ORing IC 的數(shù)量從 48 個(gè)降低至可管理的 8 個(gè)可尋址控制器。集成 3.3V 通道的熱插拔 MOSFET 并使用 I2C 來(lái)設(shè)定關(guān)鍵參數(shù)有助于將組件的總數(shù)減少一半以上，也就是從必須的 465 個(gè)以上的組件數(shù)量減少為總共不到 200 個(gè)組件。在所需的物理空間方面，解決方案的尺寸則從 2200 mm2 縮小為 1300 mm2 以下，而且功能更加提升。對(duì)于有限的特定 AdvancedMC 電源接口而言，如此高度的集成度還增加了完全符合其要求的優(yōu)勢(shì)。為了進(jìn)一步量化這一優(yōu)勢(shì)，TPS2359 電流限制電路的精度僅需要使用 1% 的電流容差外部電阻便能夠同時(shí)滿足 12V 通道對(duì) ±10% 電流限制的要求。其他兼容的解決方案則無(wú)法達(dá)到如此高的集成度和精度。

總結(jié)

采用 ATCA 和 MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)可以允許我們開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)化的電源接口解決方案。各個(gè)特定基礎(chǔ)架構(gòu)下的專用解決方案具備不同的要求，若不采用 ATCA/MicroTCA，這些要求將阻礙新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。也就是說(shuō)，一項(xiàng)新技術(shù)必須開(kāi)發(fā)出多種專用解決方案才能進(jìn)行部署。采用了 ATCA/MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)之后，即可去除這個(gè)障礙，從而快速地部署新技術(shù)。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們開(kāi)發(fā)出了與 ATCA/MicroTCA AdvancedMC 完全兼容的雙插槽熱插拔控制器 TPS2359。該控制器降低了組件數(shù)量和尺寸，從而節(jié)省了寶貴的電路板空間，同時(shí)還增加了 ATCA/MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的準(zhǔn)確控制限制。I2C 接口僅需要最低數(shù)量的外部組件，而且能夠增加靈活性和高級(jí)系統(tǒng)的管理功能。

作者簡(jiǎn)介

John Cummings 現(xiàn)任 TI 熱插拔控制器產(chǎn)品經(jīng)理。Jack 畢業(yè)于美國(guó)加州大學(xué)伊榮分校 (University of California, Irvine, CA)，獲應(yīng)用物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，主修電子工程。John 擁有 18 項(xiàng)個(gè)人專利。

Jack Olson 現(xiàn)任 TI 電源接口部門(mén)產(chǎn)品線經(jīng)理，其中包括熱插拔、PoE 和 電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)品。