MicroTCA 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必備的要素：性能，成本和可靠性

　　這篇技術(shù)文章可作為對(duì)于MicroTCA電源系統(tǒng)的通用指南，適合那些對(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有全面了解但初次接觸MicroTCA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的工程師。它也適合那些已開(kāi)始設(shè)計(jì)MicroTCA系統(tǒng)但想要詳細(xì)了解電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和如何選擇電源模塊設(shè)計(jì)的工程師。

　　目錄
　　1. 介紹
　　2. 歷史回顧
　　3. 架構(gòu)分析
　　3.1 AdvancedTCA
　　3.2 MicroTCA
　　4. MicroTCA電源模塊概覽
　　5. MicroTCA電源模塊設(shè)計(jì)要素
　　5.1 保持電容
　　5.2 輸入電壓
　　5.3 冗余
　　5.4 雙輸入備份
　　6. 結(jié)論和小結(jié)
　　7. 術(shù)語(yǔ)表
　　8. 參考文獻(xiàn)

　　1. 介紹

　　在當(dāng)今信息和通行技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域中，MicroTCA 還是一個(gè)全新的架構(gòu)。雖然它是從ATCA的架構(gòu)中演化而來(lái)，但無(wú)論從產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)講，還是有所不同的。本文在簡(jiǎn)單闡述了兩者發(fā)展的歷史背景和關(guān)系之后，著重介紹了MicroTCA 的供電架構(gòu)以及電源模塊的重要性。尤其是在MicroTCA 電源模塊內(nèi)設(shè)計(jì)要素對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)中必須考慮的關(guān)于性能、成本和可靠性因素的影響。 本文內(nèi)容對(duì)于OEM 廠(chǎng)家或準(zhǔn)備采用MicroTCA 架構(gòu)的使用者來(lái)說(shuō)是有意義的，因?yàn)镸icroTCA 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中本身就包含了一些對(duì)于電源模塊要求的強(qiáng)制要求，如功能，接口，熱設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等。同時(shí)對(duì)于電源模塊廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，也提出了MicroTCA 電源模塊設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)供進(jìn)一步討論?？傊?，由電源廠(chǎng)家自身或由滿(mǎn)足客戶(hù)需求決定的設(shè)計(jì)方案最終會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能。

　　這篇技術(shù)文章可作為對(duì)于MicroTCA電源系統(tǒng)的通用指南，適合那些對(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有全面了解但初次接觸MicroTCA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的工程師。它也適合那些已開(kāi)始設(shè)計(jì)MicroTCA系統(tǒng)但想要詳細(xì)了解電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和如何選擇電源模塊設(shè)計(jì)的工程師。當(dāng)然讀者在確定設(shè)計(jì)方案之前，必須參考根據(jù)最新的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)需求而最新發(fā)布的MicroTCA的規(guī)范。文中的內(nèi)容只代表我們的觀(guān)點(diǎn)，當(dāng)然也會(huì)有另外可行的方案存在。

　　2. 歷史回顧

　　MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)是由PICMG 組織在2006 年7 月批準(zhǔn)生效的，應(yīng)用在信息和通信技術(shù)設(shè)備下一代開(kāi)放式的設(shè)備平臺(tái)架構(gòu)。它基本來(lái)源于早期的ATCA 和AMC 架構(gòu)和技術(shù)，但又進(jìn)行和系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)以適應(yīng)更低功率要求的設(shè)備應(yīng)用，如CPE 和邊緣，接入層的設(shè)備。ATCA的標(biāo)準(zhǔn)早在2002 年就存在了。ATCA 的載板采用分布式的供電架構(gòu)，輸入電壓為-48V，在板的內(nèi)部包含了功率控制和轉(zhuǎn)換以及部分的二次電壓變換。其他的二次電壓變換是在A(yíng)MC 板卡
內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，而AMC 板卡又是插裝在A(yíng)TCA 載板上的。一個(gè)ATCA 系統(tǒng)機(jī)架中包含了一些載板。如在13U 高19 英寸機(jī)架中最多可插14 塊載板，而符合ETSI 標(biāo)準(zhǔn)的600 毫米寬機(jī)架中可插16 塊載板。

　　在MicroTCA 中，所有的負(fù)載實(shí)際就是AMC 板卡。對(duì)于已使用ATCA 架構(gòu)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，采用AMC 板卡作為兩種不同架構(gòu)設(shè)備的通用中間介質(zhì)，可以有效降低開(kāi)發(fā)成本。單從AMC 板卡本身可生產(chǎn)性和成本角度考慮，經(jīng)濟(jì)利益也是可觀(guān)的。由于不用再開(kāi)發(fā)單獨(dú)應(yīng)用在MicroTCA 架構(gòu)的AMC 板卡，減少了模塊的種類(lèi)，對(duì)于加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間以及將來(lái)減少備件成本都有積極意義。在MicroTCA 系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是電源模塊，由于并不在需要ATCA 架構(gòu)中的載板，因此MicroTCA 電源模塊承擔(dān)了功率變換和控制的功能。MicroTCA 系統(tǒng)也可以安裝在19 英寸系統(tǒng)中，最大可支持6U 高大系統(tǒng)，也可以是小系統(tǒng)。

　　圖1表示了兩種系統(tǒng)。AMC模塊是兩種系統(tǒng)中的通用模塊，在MicroTCA系統(tǒng)中它將被直接插裝在背板上，在A(yíng)TCA系統(tǒng)中它將被插裝在載板上，而載板是插在A(yíng)TCA系統(tǒng)的背板上。在下節(jié)內(nèi)容中將分別對(duì)兩種架構(gòu)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行闡述，以加深理解。

                 圖1 － AMC 模塊分別在A(yíng)TCA 和MicroTCA 系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　3. 架構(gòu)分析

　　下述內(nèi)容提供了對(duì)于A(yíng)TCA 和MicroTCA 兩種系統(tǒng)關(guān)于架構(gòu)和電源分配的基本介紹。實(shí)際的系統(tǒng)規(guī)范應(yīng)隨時(shí)參照最新發(fā)布的更詳細(xì)的信息。

　　3.1 AdvancedTCA

　　圖2 顯示了ATCA 系統(tǒng)的典型電源架構(gòu)。有些電源變換是在單獨(dú)的載板之前發(fā)生的，如交流/直流變換和電池備份一般在集中供電的地方完成。－48V 電源功率被分配到單獨(dú)的ATCA 機(jī)架。在每一層機(jī)架，電源輸入模塊（PEM）用來(lái)提供濾波和瞬態(tài)抑制。然后單獨(dú)且備份的－48V 將聯(lián)接到機(jī)架背板，背板是作為機(jī)架層的電源分配和每一個(gè)載板內(nèi)的功率變換的接口。

　　在每一個(gè)載板內(nèi)提供了保險(xiǎn)，“或”二極管，瞬態(tài)電流抑制，濾波，保持電容和對(duì)于－48V 輸入電壓的檢測(cè)。在每塊載板中都可看作為一個(gè)可靠的小電源系統(tǒng)，就如同讀者熟知的中間母線(xiàn)架構(gòu)系統(tǒng)（IBA）。主要的隔離直流/直流變換器一般選擇輸出電壓為12V，一方面12V輸出中間母線(xiàn)電壓模塊在市場(chǎng)上是成熟的，另一方面AMC 模塊本身也需要12V 電壓作為輸入。根據(jù)ATCA 規(guī)范，每一塊載板的功耗在200W以下。

　　在A(yíng)TCA 規(guī)范中，負(fù)載功率被稱(chēng)為“有效載荷”。在載板中包含直接安裝在PCB 板上的有效載荷電路，可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)負(fù)載點(diǎn)電源（POL）把12V 的中間母線(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換到有效載荷需要的低電壓。另一個(gè)選項(xiàng)是把一個(gè)或多個(gè)AMC 模塊安裝在載板上。這些AMC 模塊需要12V 作為輸入電壓。然后在A(yíng)MC 模塊內(nèi)部進(jìn)行負(fù)載點(diǎn)電源的電壓變換。

                           圖2 － 典型的ATCA 電壓系統(tǒng)框圖

                                 圖3 － ATCA 載板包含AMC 模塊示意圖

　　另外一個(gè)對(duì)于每一塊載板都必須有的功能就是電源控制，每一塊載板所包含的智能平臺(tái)管理控制器（IPMC）就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。在規(guī)格中要求載板作為使用控制電路最大功率10W，同時(shí)控制電路要求承擔(dān)同機(jī)架層管理進(jìn)行通信，明確電源啟動(dòng)的先后順序。要滿(mǎn)足這個(gè)需求，可以使用一個(gè)隔離的3.3V 輸出的直流/直流變換器在每個(gè)載板中，對(duì)智能平臺(tái)管理控制器供電，也可以作為每個(gè)AMC 模塊的管理器件部分的供電。通過(guò)這種方式，在IPMC 啟動(dòng)這個(gè)載板的有效載荷之前，AMC 板卡的管理器件部分已得到了供電。另外，載板電源控制部分對(duì)于每個(gè)AMC 板卡必須包含電壓監(jiān)控，電流限流，時(shí)序和熱插拔控制功能。

　　因此每個(gè)載板運(yùn)行需要高性能的電源許可條件和控制功能，主要針對(duì)輸入電源部分以及存在于載板或AMC模塊中的有效載荷電源部分。這個(gè)高性能的載板功能如圖3所示。載板是水平架構(gòu)280毫米深以及322毫米高。在例子中，包含了從－48V的直流/直流變換到中間母線(xiàn)電壓，然后作為兩個(gè)AMC模塊的輸入。這個(gè)母線(xiàn)電壓也可以作為載板上負(fù)載點(diǎn)調(diào)整器的輸入電壓。

　　3.2 MicroTCA

　　MicroTCA 應(yīng)被看作為ATCA 系統(tǒng)的完善而不是替代。MicroTCA 在特定的應(yīng)用市場(chǎng)有它的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于那些并不需要大功率以及低端應(yīng)用設(shè)備來(lái)說(shuō)，比如邊際網(wǎng)，接入和CPE 設(shè)備，MicroTCA 是有吸引力的，主要優(yōu)點(diǎn)是更小的結(jié)構(gòu)尺寸和更低的硬件成本。雖然體積更小以及成本更低，但對(duì)于MicroTCA 系統(tǒng)的典型可靠性要求同那些使用ATCA 架構(gòu)的設(shè)備是一樣的。一些基本的功能要求，如電源許可條件和控制也是必須的。在兩種架構(gòu)之間主要的不同點(diǎn)之一是電源系統(tǒng)集中和物理配置的程度不同。

　　在A(yíng)TCA 架構(gòu)中，所有的電源轉(zhuǎn)換功能存在于每個(gè)載板中。同時(shí)有效載荷電路可以靈活地配置在A(yíng)MC 模塊和載板PCB 或兩者兼而有之。而MicroTCA 架構(gòu)則簡(jiǎn)化為要求所有的有效載荷都存在在A(yíng)MC 模塊中，而集中所有的主要電源轉(zhuǎn)換和控制在由一個(gè)或多個(gè)MicroTCA 電源模塊組成的子系統(tǒng)中。整體的MicroTCA 系統(tǒng)圖如圖4 所示。一個(gè)完整的MicroTCA 系統(tǒng)規(guī)格如下：“一個(gè)最小的MicroTCA 系統(tǒng)包含至少一個(gè)AMC 模塊，至少一個(gè)MicroTCA 網(wǎng)絡(luò)集線(xiàn)器載板（MCH），交互聯(lián)接，電源，冷卻模塊以及支持的機(jī)械結(jié)構(gòu)。”如圖所示的系統(tǒng)支持最多12 塊包含有效載荷電路的AMC 模塊，每個(gè)AMC 模塊需要特定的從20 到80 瓦之間的有效載荷功率。按照MicroTCA 規(guī)范規(guī)定：“不同的功能單元支持完成系統(tǒng)不同的功能。例如AMC模塊需能安裝在MicroTCA 機(jī)架上，包含CPU，DSP 器件，處理器，存儲(chǔ)器，以及不同種類(lèi)的AMC 模塊I/O 接口（包括金屬和光器件，無(wú)線(xiàn)射頻器件，以及同其他盒式設(shè)備的接口）。”MCH 模塊提供了對(duì)于所有的AMC 模塊的交互控制功能。另一個(gè)備份的MCH 模塊經(jīng)常用于高有效性要求的系統(tǒng)。同樣的，有時(shí)也會(huì)使用另一個(gè)備份的冷卻系統(tǒng)。背板是用來(lái)作為所有這些元件的交互聯(lián)接的機(jī)械平臺(tái)。而電源模塊是整個(gè)MicroTCA 系統(tǒng)的非常關(guān)鍵的部件。它用來(lái)作為對(duì)所有子系統(tǒng)模塊的集中供電，功率變換和控制。一般來(lái)說(shuō)在一個(gè)簡(jiǎn)單的MicroTCA 系統(tǒng)中會(huì)使用一到四個(gè)電源模塊。使用超過(guò)一個(gè)以上的電源模塊要么是滿(mǎn)足電源功率需求，要么是滿(mǎn)足備份需求。

                     圖4 － MicroTCA 架構(gòu)概覽（紅色部分為部分電源系統(tǒng)）

                              圖5 － 包含AMC 模塊和電源模塊的MicroTCA 機(jī)架

　　MicroTCA 的規(guī)范提供了非常清晰的對(duì)于使用電源模塊的目的和功能描述：“MicroTCA 電源模塊實(shí)現(xiàn)從輸入電壓到12V 電壓變換，給每個(gè)AMC 模塊提供有效載荷電源。AMC 模塊所需的3.3V 管理電源同樣由電源子系統(tǒng)提供。電源模塊的電源控制邏輯表現(xiàn)為時(shí)序控制，保護(hù)和隔離功能。電源子系統(tǒng)是由載板管理器所控制的，它確保在每個(gè)電源通道使能之前有足夠的電源功率去驅(qū)動(dòng)。”“電源模塊同樣包含了必要的監(jiān)控功能以管理電源子系統(tǒng)。它們有檢測(cè)AMC，MCH 和冷卻模塊存在，以及給每個(gè)電源分支上電的電路。電源模塊還要監(jiān)控每一支路的電源質(zhì)量并確保它們不過(guò)載。如果配置了一個(gè)冗余電源模塊，當(dāng)主電源模塊失效時(shí)，冗余電源模塊將自動(dòng)擔(dān)負(fù)起其的供電備份功能。”電源模塊需擔(dān)負(fù)起最多為12 個(gè)AMC 模塊的有效載荷和管理部分器件供電，還要能為最多2 個(gè)冷卻模塊和兩個(gè)MCH 模塊供電。因而，許多電源模塊被設(shè)計(jì)為能最多支持16 路電源通道，或當(dāng)有效載荷和管理部分電源分開(kāi)時(shí)最多支持32 路通道。

　　很明顯的是許多功能被集成到了電源模塊中，因而它當(dāng)然成為MicroTCA 系統(tǒng)中最重要的單元之一。相較于把電源模塊只是簡(jiǎn)單看成小封裝的，存在于A(yíng)TCA 載板中的電源元件，它其實(shí)包含了更多電源和控制功能。顯而易見(jiàn)，電源模塊的設(shè)計(jì)會(huì)極大地影響整個(gè)系統(tǒng)地效率和可靠性。

　　在本文的余下內(nèi)容將重點(diǎn)介紹電源模塊的情況。首先描述了所有的功能和分，然后是一些重要的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)討論。圖5 展示了電源模塊是如何在MicroTCA 機(jī)架中集成的。系統(tǒng)中有兩個(gè)電源模塊，它們分別位于首層機(jī)架的左邊和右邊。直流電源輸入是在前面板通過(guò)連接器連接到電源模塊的，12V 和3.3V 輸出電源是在電源模塊后部同MicroTCA 背板相聯(lián)接的。