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

　　4. MicroTCA 電源模塊概覽

　　MicroTCA 要求電源模塊具有很多重要的功能，包括：
　　· “或”輸入電源
　　· 針對(duì)輸入電源浪涌保護(hù)的熱插拔控制
　　· 輸入電源濾波
　　· 電源保持電容
　　· 48V 到12V 的直流/直流變換（有效載荷電源）
　　· 輸入到輸入隔離
　　· 12V 到3.3V 變換（管理電源）
　　· 輸出電源分配
　　· 針對(duì)多個(gè)AMC 模塊，冷卻模塊和MCH 模塊的熱插拔控制
　　· 輸出電源的監(jiān)控和控制
　　· 輸出電源保護(hù)電路

　　從大型的ATCA 載板到相應(yīng)的小MicroTCA 電源模塊，其中合并了電源電路和系統(tǒng)級(jí)的控制/管理功能，意味著對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的成功，電源模塊的設(shè)計(jì)，表現(xiàn)和可靠性起到了關(guān)鍵性的作用。圖6 是一個(gè)框圖，展示了一個(gè)典型的MicroTCA 電源模塊內(nèi)部的情況。大多數(shù)的功能同一個(gè)ATCA 載板的電源系統(tǒng)是相似的，但也有一些區(qū)別。

　　在ATCA 架構(gòu)中，有一個(gè)電源輸入模塊（PEM），在電源被分配到載板之前，這個(gè)模塊提供了一些輸入電源允許和保護(hù)功能，包含瞬態(tài)保護(hù)和濾波。在MicroTCA 架構(gòu)中，并沒(méi)有PEM模塊。因此“純”直流輸入電源是直接通過(guò)電源模塊前面板的連接器輸入電源模塊的。這就意味著所有PEM模塊的功能必須包含在每個(gè)電源模塊中。ATCA 載板包含有對(duì)于－48V 輸入的保險(xiǎn)絲。在MicroTCA 中，保險(xiǎn)絲被典型地用在電源分配單元中，對(duì)于每個(gè)通過(guò)電纜從電源模塊前部供電的支路提供熔絲保險(xiǎn)。因而，通常在電源模塊內(nèi)部并不需要保險(xiǎn)絲。另外，前端功能同ATCA 是十分相似的，也有“或”二極管，EMI 濾波，瞬態(tài)電流抑制和保持電容。當(dāng)ATCA 總是必須包含兩路冗余－48V 輸入時(shí)，MicroTCA 有時(shí)可配置一路輸入，有時(shí)配置兩路冗余輸入。

　　電源模塊包含了一個(gè)單路的－48V到12V的隔離直流/直流轉(zhuǎn)換器，這點(diǎn)同ATCA是相似的。但是它的功率段提升到了600瓦。從12V變換到低壓的一個(gè)負(fù)載點(diǎn)電源是用來(lái)產(chǎn)生管理部分的電源。另外在AMC模塊內(nèi)部的負(fù)載點(diǎn)電源是用來(lái)進(jìn)行12V到低壓的轉(zhuǎn)換以給有效載荷供電。MicroTCA電源模塊的控制部分叫做“加強(qiáng)的模塊化管理控制器”（EMMC），是用來(lái)監(jiān)控和管理系統(tǒng)配置的所有AMC卡，冷卻模塊和MCH模塊中的有效載荷和管理部分所需的電源。

                          圖6 － 典型的MicroTCA 電源模塊內(nèi)部框圖

　　更詳盡的描述真正的MicroTCA電源模塊的示意圖如圖7。這個(gè)特定的電源是單寬、全高標(biāo)準(zhǔn)的模塊，外形尺寸為73.5×186.6×28.9毫米。它可支持和管理電源為12個(gè)AMC模塊，2個(gè)冷卻模塊和2個(gè)MCH模塊供電，最多支持32個(gè)電壓通道。

　　由于從ATCA載板的分布式供電架構(gòu)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)在使用幾個(gè)（1到4）集中供電的MicroTCA電源模塊，導(dǎo)致了要求更高的電源功率密度，要求一些電源需輸出600瓦。因此，高效的設(shè)計(jì)對(duì)于封裝的考慮和出于對(duì)系統(tǒng)可靠性要求的考慮都是至關(guān)重要的。相較于在ATCA載板環(huán)境，在MicroTCA環(huán)境中進(jìn)行輸入電源瞬態(tài)抑制，EMI控制和保持電容的設(shè)計(jì)是很困難的。因?yàn)楸仨毞舷嗤臉?biāo)準(zhǔn)，但功率卻從200瓦提升到了600瓦。滿(mǎn)足控制和管理的需求同樣是有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗仨毻疃?2個(gè)輸出電壓通道接口，還包括了MCH模塊。

　　上述需求導(dǎo)致選擇和設(shè)計(jì)好MicroTCA電源模塊成為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵因素。在下面的章節(jié)中我們將詳細(xì)介紹一些電源模塊設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是如何幫助確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的。雖然MicroTCA系統(tǒng)也可被用作其它輸入電壓應(yīng)用，如24V直流或全球范圍交流輸入，但下列討論僅基于最通用的電信－48V輸入電壓情況。

                           圖7 － MicroTCA 電源模塊例子

　　5. MicroTCA 電源模塊設(shè)計(jì)要素

　　在MicroTCA 的標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)際上包含了三層不同程度的要求稱(chēng)謂，就如同我們每天的生活語(yǔ)言一樣，“將”，“應(yīng)該”，“可以”。也就是說(shuō)，它定義了一層要求含義是必須滿(mǎn)足的，另外兩層要求含義是推薦和指南，保持了一定程度的靈活度。使MicroTCA 系統(tǒng)和元件的集成更適合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)這個(gè)靈活度是個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往在整體性能，可靠性和成本之間進(jìn)行平衡。MicroTCA 電源模塊的設(shè)計(jì)和規(guī)格就是一個(gè)很好的體現(xiàn)這個(gè)靈活性的例子，因?yàn)橛行┣闆r下電源模塊參數(shù)會(huì)不同但仍然滿(mǎn)足MicroTCA 的標(biāo)準(zhǔn)。愛(ài)立信在一些參數(shù)方面進(jìn)行了深入的研究，以確定電源模塊的最終性能對(duì)其他方面如成本的影響。對(duì)于OEM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在定義和選擇MicroTCA 電源模塊時(shí)這些信息也是重要的。在本文中討論的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括保持電容，輸入電壓，冗余和雙輸入備份。

　　這個(gè)研究的硬件平臺(tái)是基于愛(ài)立信開(kāi)發(fā)的355 瓦的MicroTCA 電源模塊，如圖8 所示。基本的規(guī)格和參數(shù)如下表所示：

                       圖8 － 愛(ài)立信MicroTCA 電源模塊 ROA 117 5078/1

　　用“成本單位”這個(gè)名詞來(lái)定義成本。基于我們的樣機(jī)在2007 年第二季度時(shí)的成本估算整個(gè)的材料成本（BOM）為400 個(gè)成本單位。如果說(shuō)設(shè)計(jì)改變導(dǎo)致20 個(gè)成本單位的減少，就意味著5％的材料成本的降低。在本文中得出的一些成本方面的結(jié)論，雖然使用了相對(duì)的成本單位的概念，但對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)在確定電源模塊規(guī)格和平衡各方面因素時(shí)可以作為參考。

　　5.1 保持電容

　　在典型的MicroTCA電源模塊中使用了相當(dāng)數(shù)量的大個(gè)的電解電容。它的作用是基于MicroTCA強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)之一所規(guī)定的，即當(dāng)輸入電源短時(shí)中斷時(shí)，如在輸入電壓母線(xiàn)上的短路情況，必須維持模塊運(yùn)作一段時(shí)間。

　　在標(biāo)準(zhǔn)中定義了最壞的情況，即輸入電壓最低跌落到5V，維持10毫米，要求電源模塊在這個(gè)期間維持工作。一般來(lái)說(shuō)電源模塊的設(shè)計(jì)者會(huì)在－48V輸入側(cè)，“或”二極管的后級(jí)加幾個(gè)保持電容。在正常的輸入電壓恢復(fù)之前，儲(chǔ)存在這些電容內(nèi)的能量可以維持電源模塊的正常工作。

　　這個(gè)需求規(guī)定可以通過(guò)圖9來(lái)理解，這是一個(gè)典型的MicroTCA系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)機(jī)柜和兩個(gè)機(jī)架組成。每個(gè)機(jī)架包含一個(gè)電源模塊，－48V輸入電壓是通過(guò)電纜從電源分配單元（PDU）得到的。如圖所示，假定短路情況發(fā)生在機(jī)架1的－48V輸入側(cè)，由于在PDU中每個(gè)電路是單路保護(hù)的，因此故障路的保險(xiǎn)或空氣開(kāi)關(guān)加打開(kāi)以隔離故障側(cè)電路同系統(tǒng)的聯(lián)系。但是故障發(fā)生和清除并不是及時(shí)的，在保險(xiǎn)啟動(dòng)隔離工作以前有一個(gè)極短的響應(yīng)周期，在這個(gè)期間短路大電流將把正常的－48V電壓拉低。也就是說(shuō)，機(jī)架2的電源模塊將工作在輸入電壓短時(shí)中斷的情況。因此在MicroTCA標(biāo)準(zhǔn)中就規(guī)定了電源模塊在最壞情況下，即輸入電壓只有5V，也需工作至少10毫秒。

                           圖9 － 短路造成的在輸入側(cè)電壓跌落

　　上述規(guī)范是為了確保有一個(gè)可靠性的系統(tǒng)。但在某些情況下即使少一些保持時(shí)間，即少一些保持電容，也可以達(dá)到同樣的可靠性系統(tǒng)的效果。例如：
　　· 如果在實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)柜只有一個(gè)機(jī)架和一個(gè)電源模塊，那上述故障情況就不是對(duì)保持時(shí)間的要求了，因?yàn)樵诒ｋU(xiǎn)斷開(kāi)后，電源模塊將不工作。在這種情況下，根本不需要保持電容。

　　· 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須了解在PDU單元中器件是如何動(dòng)作來(lái)消除故障的。一般來(lái)說(shuō)保險(xiǎn)絲和空氣開(kāi)關(guān)的動(dòng)作并不需要10毫秒。例如，如果設(shè)計(jì)能確保故障的響應(yīng)和消除時(shí)間在5毫秒，那就意味著保持電容數(shù)量可以減半。

　　· 在規(guī)范中假定在故障發(fā)生時(shí)電源模塊是工作在滿(mǎn)載情況下。但在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)留有裕量，電源模塊不會(huì)在滿(mǎn)載情況下工作。如果說(shuō)真正應(yīng)用情況下的最大負(fù)載比電源模塊的額定負(fù)載要小，那么要求電容的保持時(shí)間也可以相應(yīng)減少。

　　· 有些系統(tǒng)設(shè)計(jì)者采用一種叫“兩步高阻分布方式”（TS-HOD）技術(shù)。應(yīng)用這種技術(shù)，－48V電纜被預(yù)制了一個(gè)阻值。這會(huì)抑制短路電流增大，從而使輸入電壓不會(huì)降低到－40.5V以下，而這個(gè)電壓就在電源模塊正常的工作范圍了。