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

　　在這個研究項(xiàng)目中并沒有重新設(shè)計(jì)這個變換器以量化體現(xiàn)這個影響，但通過對兩種不同類型的愛立信電源模塊作對比可以得出一些概念化的結(jié)論。

　　圖15和圖16總結(jié)了兩種電源模塊的一些參數(shù)特性，它們的輸入電壓范圍基本一致，輸出電壓都是12V。它們基本上是同時代的產(chǎn)品，在效率的功率密度方面基本上是業(yè)界的領(lǐng)先者。它們的形狀和尺寸幾乎是一樣的。PKM4304B模塊只有前饋環(huán)而沒有反饋環(huán)，因此是半穩(wěn)壓的。這樣可以簡化控制電路部分的設(shè)計(jì)，但如圖所示輸出電壓會有跌落。額外的空間節(jié)省可以用來加強(qiáng)功率部分，從而導(dǎo)致這個模塊可以輸出380瓦，同時達(dá)到高效95.3％。這個模塊并不是為了冗余應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，應(yīng)作為標(biāo)準(zhǔn)的中間母線電源模塊。

                                圖15 － 有反饋環(huán)和無反饋環(huán)的模塊性能比較

                     圖16 － 性能參數(shù)小結(jié)

　　PKM4213C模塊，物理尺寸是相同的，由于有輸出電壓反饋電路是其輸出精度可達(dá)正負(fù)2.5％，適合在作為冗余系統(tǒng)應(yīng)用的電源模塊內(nèi)使用。當(dāng)然達(dá)到這個性能也是有代價(jià)的，效率只有93.3％，比PKM4304B模塊低。由此我們可以得出結(jié)論，在冗余系統(tǒng)中使用的電源模塊，其功耗會比非冗余系統(tǒng)使用的電源模塊高。其產(chǎn)品封裝的功率密度將是一個挑戰(zhàn)。

　　當(dāng)新技術(shù)出現(xiàn)后，上述數(shù)字結(jié)果當(dāng)然會隨之發(fā)展。但事實(shí)是，需要維持更精確的輸出電壓精度，必然在直流/直流變換器內(nèi)需要額外的控制電路，這將影響電源的功率密度和效
率。

　　5.4 雙輸入備份

　　事實(shí)上，MicroTCA獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)決定了它可以通過對直流/直流變換進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，以加強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。其他基于在背板上提供－48V母線類型的系統(tǒng)往往利用了對－48V進(jìn)行冗余，但在每個載板內(nèi)只有一個48V到低壓的直流/直流變換器。這個直流/直流變換器就表示它是一個沒有冗余備份的單點(diǎn)故障源。從成本和單板空間角度來看，在每個載板內(nèi)再提供另外一個直流/直流變換器是不可行的，因?yàn)檫@樣的化系統(tǒng)中的每個載板都要進(jìn)行這樣的復(fù)制。

　　MicroTCA提供了一個靈巧和有效的方法來解決這個難題。通常MicroTCA系統(tǒng)機(jī)架被設(shè)計(jì)成可以放置兩個電源模塊。如果每一個電源模塊的輸入來自于不同的－48V源，這樣電源模塊就很容易進(jìn)入冗余管理模式，這樣對于任一路－48V源故障，以及系統(tǒng)中所有AMC模塊所需的功率變換和控制功能，都有了完整的冗余備份。

　　可以很容易的通過增加一個額外的電源模塊來實(shí)現(xiàn)，勝于在系統(tǒng)中使用多個直流/直流變換器的方法。這就給了OEM制造商一個機(jī)會，在較小的空間和合理的增加成本下，可以使MicroTCA系統(tǒng)成為完全意義上的電源備份系統(tǒng)。需要強(qiáng)調(diào)的是－48V背板備份重要性只是用來解釋架構(gòu)的不同。真正的系統(tǒng)級的可靠設(shè)計(jì)絕不能拿這個例子一個直流/直流變換器對應(yīng)一塊板來作為例子。對于在MicroTCA進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)的討論有助于澄清可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。另外一個非常重要的要點(diǎn)是能提供電源輸入源冗余并不意味著電源模塊必須包含支持電源雙輸入的能力。

　　一個通用的支持雙電源輸入的系統(tǒng)如圖17所示。在這個系統(tǒng)中，機(jī)柜和機(jī)架都支持雙輸入。問題是如何利用好這些雙輸入功能。有三種可能性如下：
　　· 一個帶雙輸入的電源模塊
　　· 兩個冗余備份的單輸入電源模塊
　　· 兩個冗余備份的雙輸入電源模塊

　　一個帶雙輸入的電源模塊－這是一個非冗余電源模塊的方案，單一電源模塊支持整個機(jī)架的供電。電源模塊支持兩個輸入，當(dāng)其中一個電源源故障時，可以起到冗余的作用，但當(dāng)電源模塊內(nèi)部直流/直流變換器失效時，就沒有冗余作用了。也就是說，直流/直流變換器成為了單一故障點(diǎn)而沒有冗余備份。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以決定這是否是可行的設(shè)計(jì)方向，但可以引起爭論的是，電源源的故障率往往低于直流/直流變換器的故障率。如果是這樣的話，下列的選項(xiàng)就更有吸引力了。

　　兩個冗余備份的單輸入電源模塊－這是一個1＋1電源冗余備份的方式。電源源A輸入到一個電源模塊，電源源B輸入到另一個電源模塊。兩個電源模塊都僅有一路電源輸入，而只需要一個電源模塊就可以對整個系統(tǒng)負(fù)載供電。這樣無論是直流/直流變換器和輸入電源源都有了冗余備份。這個解決方案是針對第一個方案中無法對直流/直流變換器進(jìn)行冗余的改進(jìn)。

　　兩個冗余備份的雙輸入電源模塊－這個解決方案同上述的區(qū)別在于，兩路電源源都進(jìn)到了兩個電源模塊中，同時要求兩個電源模塊都有支持雙輸入的能力。和前一個方案一樣，這個解決方案對于單個直流/直流變換器和電源源的故障都進(jìn)行了冗余。對于多點(diǎn)故障，它還提供了更多的保護(hù)，實(shí)際上這個方案對于輸入源的故障提供了1＋3的冗余，電源電模塊的故障提供了1＋1的冗余。當(dāng)多點(diǎn)故障同時發(fā)生時，這個方案也能起到保護(hù)作用。例如在電源分配單元（PDU）同時有最多三個保險(xiǎn)絲和電纜故障，或同時有一路輸入源和一個直流/直流變換器故障。也許會有一些系統(tǒng)會需要這樣級別的備份保護(hù)，但許多MicroTCA的應(yīng)用可能只需要針對一種故障情況進(jìn)行保護(hù)。

                          圖17 － 雙電源輸入建立

        一般來說應(yīng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會針對特定的應(yīng)用情況來做出上述的方案選擇。從我們的觀點(diǎn)來看，許多MicroTCA系統(tǒng)會采用第二種保護(hù)方式。對于輸入源故障和直流/直流變換器故障都提供了單一保護(hù)，同時又不需要雙輸入的電源模塊。這個分析僅僅適用于假定的1＋1電源冗余備份。在其他情況下結(jié)論可能就不同了。例如在使用單輸入電源模塊的3＋1備份系統(tǒng)，一路電源源的故障意味著兩個電源模塊將下電，會導(dǎo)致剩下的兩個電源模塊出現(xiàn)過流情況。要求一個電源模塊提供支持雙輸入功能在成本、效率和尺寸方面的影響在下文中會涉及。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須在對于多點(diǎn)故障的保護(hù)和這些因素影響方面做出平衡。

　　如圖18所示是關(guān)于單輸入和雙輸入電源模塊的比較。單輸入系統(tǒng)使用了有源器件和12毫歐的前饋電阻進(jìn)行反極性保護(hù)。這個器件可看作是一個二極管同輸入電壓側(cè)直接相連（不需要外部的控制）。對于雙輸入來進(jìn)行反極性保護(hù)就復(fù)雜多了，需要總共4個二極管來實(shí)現(xiàn)這個功能，又必須滿足MicroTCA的規(guī)范。兩者之間的功率損耗和效率差別是很大的，雙輸入模塊有10W的二極管損耗而單輸入模塊只有1W。雙輸入模塊的效率將降低2.7％。同時使用雙輸入電源設(shè)計(jì)將額外需要750平方毫米的PCB面積，增加12個成本單位。大多數(shù)增加的成本主要體現(xiàn)在另一個輸入電源連接器。在許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)在多點(diǎn)故障的可靠性而采用這種方式同時又付出這些代價(jià)，將是得不償失的。

　　從技術(shù)角度上講當(dāng)然可以允許采用MOS管用在雙輸入電源模塊前級上，因而消除由于二極管而產(chǎn)生的功率損耗。這種實(shí)現(xiàn)方式將需要一個更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，以確保MOS管在應(yīng)該工作的時候才導(dǎo)通。更為重要的是，在需要MOS管不工作時，它們必須被及時地關(guān)斷?？梢源_定的是在同時滿足反極性保護(hù)和消除兩路電源輸入交叉影響的情況下使用MOS管是極大的挑戰(zhàn)。因此使用二極管是基本可靠的。

                  圖18 － 單輸入和雙輸入電源模塊

　　6. 結(jié)論和小結(jié)

　　在本文中很難對所有的議題都進(jìn)行深入的闡述，因?yàn)镸icroTCA 電源模塊并不能被看作為單一的實(shí)體，而更應(yīng)被視為整個系統(tǒng)中的重要部件之一。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況來做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)決定。同時系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該對如電源模塊等的重要部件提出需求。本文的目的就是為了讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者了解這些最終的決定會影響電源模塊的成本，性能，效率和功率密度，從而做出正確的決定。應(yīng)牢記沒有一種方案是放之四海皆適用的，下面的一些結(jié)論包含了對一些通用指南的精華，可能會有用。圖19 總結(jié)了對于電源模塊的影響。

                  圖19 － 電源模塊影響小結(jié)

　　· MicroTCA系統(tǒng)是對ATCA系統(tǒng)的成功的補(bǔ)充，對于需要小型化，低功率和低成本的系統(tǒng)來說是個福音。

　　· MicroTCA具備成為高可靠性和冗余電源系統(tǒng)的能力，通過對直流/直流變換的冗余可以加強(qiáng)它的可靠性。

　　· 隨著客戶需求和技術(shù)的發(fā)展，包括電源模塊在內(nèi)的商用化的MicroTCA部件和系統(tǒng)將面世。可能的發(fā)展趨勢包括提高器件集成度，高封裝密度和更低的生產(chǎn)成本和價(jià)格

　　· 由于包含了電源匹配，功率轉(zhuǎn)換和控制功能，因此電源模塊作為一個非常重要的部件對于一個成功的，高可靠的MicroTCA系統(tǒng)設(shè)計(jì)又決定性影響

　　· 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的決定可以影響到MicroTCA電源模塊的性能、效率、尺寸和成本

　　· 保持電容－為了實(shí)現(xiàn)10毫秒保持時間而增加的2個成本單位并不是主要的不利因素。這些電容會選用高可靠性低故障類的電容，還會在降額上采用保守設(shè)計(jì)，因此電容數(shù)量對于可靠性的影響也不是問題。對于電源模塊主要的影響是需額外的PCB面積來放置保持功能單元電路，在355瓦電源模塊中將要占到10％的PCB面積。如果預(yù)見到未來開發(fā)的單寬全高的600瓦電源模塊，需要增加保持功能單元電路的PCB面積，那對電源模塊的設(shè)計(jì)就帶來了挑戰(zhàn)。在本文中討論的一種或幾種保持規(guī)格實(shí)現(xiàn)的情況可以幫助減輕這種擔(dān)憂。

　　· 輸入電壓－設(shè)計(jì)一個可以覆蓋－48V和－60V系統(tǒng)的電源模塊，相對于只針對－48V系統(tǒng)的電源模塊，并沒有在性能或成本上帶來影響。只會輕微改變效率曲線，同時對保持電容的數(shù)量和耐壓值有影響。也許這會帶來另外的影響，也就是系統(tǒng)含蓋－60V系統(tǒng)可能需要安規(guī)認(rèn)證，當(dāng)然這并不在本文的討論分析范圍之內(nèi)。根據(jù)安全低壓安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（SELV），超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全電壓電源模塊，需要另外的測試，以及在電源模塊內(nèi)需要更寬的爬電距離設(shè)計(jì)。

　　· 冗余－提供冗余電源模塊功能將增加大約10個成本單位。當(dāng)未來更高集成度的熱插拔半導(dǎo)體解決方案面世時，這個成本和PCB占板面積增加的情況會有所改觀。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，最大的并沒有減少的成本，恰恰是在軟件開發(fā)，性能測試和交互測試上，尤其是對于復(fù)雜的冗余的電源模塊系統(tǒng)。從電源模塊角度來看，提供冗余功能對于電源模塊來說最大的影響在直流/直流變換器需要更窄的輸出電壓精度范圍。從今天的技術(shù)水平來看是可以滿足這個需求的，但是導(dǎo)致了降低了功率密度和轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)然，使用冗余的電源模塊架構(gòu)需要增加至少一個額外的電源模塊成本。

　　· 雙輸入－從研究的這四方面來講，也許這個的影響是最大的。在一個電源模塊中增加雙輸入的功能將增加大約12個成本單位和9瓦的額外損耗，降低效率。在許多MicroTCA系統(tǒng)中并不會出現(xiàn)這樣的情況，因?yàn)橛辛硗獾慕鉀Q方案。只需要在機(jī)架層提供雙電源輸入備份和電源模塊冗余，并不需要單個電源模塊可以支持雙電源輸入。

　　針對需要決定如何配置MicroTCA 電源系統(tǒng)的讀者，希望本文能成為有用的指南。當(dāng)然文中所述的觀點(diǎn)和解決方案并不能被認(rèn)為是解決問題的最終的唯一選擇。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者切記在決定需求時必須隨時參考最新的MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。愛立信希望能繼續(xù)致力于業(yè)界領(lǐng)先的MicroTCA 電源模塊的開發(fā)，同時承諾隨時同我們的客戶交流和討論這個令人興奮的新架構(gòu)的設(shè)計(jì)和商機(jī)。

　　8. 參考文獻(xiàn)

　　1. AdvancedMC base specification R2.0, PICMG, 15 November 2006

　　2. AdvancedTCA base specification R2.0 ECN001 & ECN002, PICMG, 26 May 2006

　　3. MicroTCA base specification R1.0, PICMG, 6 July 2006