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

　　這篇技術(shù)文章可作為對于MicroTCA電源系統(tǒng)的通用指南，適合那些對于電源系統(tǒng)設(shè)計有全面了解但初次接觸MicroTCA系統(tǒng)標準的工程師。它也適合那些已開始設(shè)計MicroTCA系統(tǒng)但想要詳細了解電源系統(tǒng)設(shè)計和如何選擇電源模塊設(shè)計的工程師。

　　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)語表
　　8. 參考文獻

　　1. 介紹

　　在當今信息和通行技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域中，MicroTCA 還是一個全新的架構(gòu)。雖然它是從ATCA的架構(gòu)中演化而來，但無論從產(chǎn)品和應用領(lǐng)域來講，還是有所不同的。本文在簡單闡述了兩者發(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)計要素對于整個系統(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)容對于OEM 廠家或準備采用MicroTCA 架構(gòu)的使用者來說是有意義的，因為MicroTCA 標準和規(guī)范中本身就包含了一些對于電源模塊要求的強制要求，如功能，接口，熱設(shè)計和機械設(shè)計等。同時對于電源模塊廠家來說，也提出了MicroTCA 電源模塊設(shè)計的幾個關(guān)鍵點供進一步討論?？傊?，由電源廠家自身或由滿足客戶需求決定的設(shè)計方案最終會影響系統(tǒng)的整體性能。

　　這篇技術(shù)文章可作為對于MicroTCA電源系統(tǒng)的通用指南，適合那些對于電源系統(tǒng)設(shè)計有全面了解但初次接觸MicroTCA系統(tǒng)標準的工程師。它也適合那些已開始設(shè)計MicroTCA系統(tǒng)但想要詳細了解電源系統(tǒng)設(shè)計和如何選擇電源模塊設(shè)計的工程師。當然讀者在確定設(shè)計方案之前，必須參考根據(jù)最新的市場動態(tài)需求而最新發(fā)布的MicroTCA的規(guī)范。文中的內(nèi)容只代表我們的觀點，當然也會有另外可行的方案存在。

　　2. 歷史回顧

　　MicroTCA 標準是由PICMG 組織在2006 年7 月批準生效的，應用在信息和通信技術(shù)設(shè)備下一代開放式的設(shè)備平臺架構(gòu)。它基本來源于早期的ATCA 和AMC 架構(gòu)和技術(shù)，但又進行和系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和改進以適應更低功率要求的設(shè)備應用，如CPE 和邊緣，接入層的設(shè)備。ATCA的標準早在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AMC 板卡
內(nèi)部實現(xiàn)的，而AMC 板卡又是插裝在ATCA 載板上的。一個ATCA 系統(tǒng)機架中包含了一些載板。如在13U 高19 英寸機架中最多可插14 塊載板，而符合ETSI 標準的600 毫米寬機架中可插16 塊載板。

　　在MicroTCA 中，所有的負載實際就是AMC 板卡。對于已使用ATCA 架構(gòu)的用戶來說，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)濟利益也是可觀的。由于不用再開發(fā)單獨應用在MicroTCA 架構(gòu)的AMC 板卡，減少了模塊的種類，對于加快產(chǎn)品推向市場的時間以及將來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ATCA系統(tǒng)中它將被插裝在載板上，而載板是插在ATCA系統(tǒng)的背板上。在下節(jié)內(nèi)容中將分別對兩種架構(gòu)的相同點和不同點進行闡述，以加深理解。

                 圖1 － AMC 模塊分別在ATCA 和MicroTCA 系統(tǒng)中的應用

　　3. 架構(gòu)分析

　　下述內(nèi)容提供了對于ATCA 和MicroTCA 兩種系統(tǒng)關(guān)于架構(gòu)和電源分配的基本介紹。實際的系統(tǒng)規(guī)范應隨時參照最新發(fā)布的更詳細的信息。

　　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的ATCA 機架。在每一層機架，電源輸入模塊（PEM）用來提供濾波和瞬態(tài)抑制。然后單獨且備份的－48V 將聯(lián)接到機架背板，背板是作為機架層的電源分配和每一個載板內(nèi)的功率變換的接口。

　　在每一個載板內(nèi)提供了保險，“或”二極管，瞬態(tài)電流抑制，濾波，保持電容和對于－48V 輸入電壓的檢測。在每塊載板中都可看作為一個可靠的小電源系統(tǒng)，就如同讀者熟知的中間母線架構(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輸出中間母線電壓模塊在市場上是成熟的，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ATCA 規(guī)范中，負載功率被稱為“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，可以通過一個或多個負載點電源（POL）把12V 的中間母線電壓轉(zhuǎn)換到有效載荷需要的低電壓。另一個選項是把一個或多個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AMC 模塊內(nèi)部進行負載點電源的電壓變換。

                           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

　　另外一個對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管理控制器（IPMC）就是實現(xiàn)這個功能。在規(guī)格中要求載板作為使用控制電路最大功率10W，同時控制電路要求承擔同機架層管理進行通信，明確電源啟動的先后順序。要滿足這個需求，可以使用一個隔離的3.3V 輸出的直流/直流變換器在每個載板中，對智能平臺管理控制器供電，也可以作為每個AMC 模塊的管理器件部分的供電。通過這種方式，在IPMC 啟動這個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于每個AMC 板卡必須包含電壓監(jiān)控，電流限流，時序和熱插拔控制功能。

　　因此每個載板運行需要高性能的電源許可條件和控制功能，主要針對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電壓，然后作為兩個AMC模塊的輸入。這個母線電壓也可以作為載板上負載點調(diào)整器的輸入電壓。

　　3.2 MicroTCA

　　MicroTCA 應被看作為ATCA 系統(tǒng)的完善而不是替代。MicroTCA 在特定的應用市場有它的優(yōu)點。對于那些并不需要大功率以及低端應用設(shè)備來說，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)之間主要的不同點之一是電源系統(tǒng)集中和物理配置的程度不同。

　　在ATCA 架構(gòu)中，所有的電源轉(zhuǎn)換功能存在于每個載板中。同時有效載荷電路可以靈活地配置在AMC 模塊和載板PCB 或兩者兼而有之。而MicroTCA 架構(gòu)則簡化為要求所有的有效載荷都存在在AMC 模塊中，而集中所有的主要電源轉(zhuǎn)換和控制在由一個或多個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。一個完整的MicroTCA 系統(tǒng)規(guī)格如下：“一個最小的MicroTCA 系統(tǒng)包含至少一個AMC 模塊，至少一個MicroTCA 網(wǎng)絡集線器載板（MCH），交互聯(lián)接，電源，冷卻模塊以及支持的機械結(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 機架上，包含CPU，DSP 器件，處理器，存儲器，以及不同種類的AMC 模塊I/O 接口（包括金屬和光器件，無線射頻器件，以及同其他盒式設(shè)備的接口）。”MCH 模塊提供了對于所有的AMC 模塊的交互控制功能。另一個備份的MCH 模塊經(jīng)常用于高有效性要求的系統(tǒng)。同樣的，有時也會使用另一個備份的冷卻系統(tǒng)。背板是用來作為所有這些元件的交互聯(lián)接的機械平臺。而電源模塊是整個MicroTCA 系統(tǒng)的非常關(guān)鍵的部件。它用來作為對所有子系統(tǒng)模塊的集中供電，功率變換和控制。一般來說在一個簡單的MicroTCA 系統(tǒng)中會使用一到四個電源模塊。使用超過一個以上的電源模塊要么是滿足電源功率需求，要么是滿足備份需求。

                     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 機架

　　MicroTCA 的規(guī)范提供了非常清晰的對于使用電源模塊的目的和功能描述：“MicroTCA 電源模塊實現(xiàn)從輸入電壓到12V 電壓變換，給每個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)為時序控制，保護和隔離功能。電源子系統(tǒng)是由載板管理器所控制的，它確保在每個電源通道使能之前有足夠的電源功率去驅(qū)動。”“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AMC，MCH 和冷卻模塊存在，以及給每個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)量并確保它們不過載。如果配置了一個冗余電源模塊，當主電源模塊失效時，冗余電源模塊將自動擔負起其的供電備份功能。”電源模塊需擔負起最多為12 個AMC 模塊的有效載荷和管理部分器件供電，還要能為最多2 個冷卻模塊和兩個MCH 模塊供電。因而，許多電源模塊被設(shè)計為能最多支持16 路電源通道，或當有效載荷和管理部分電源分開時最多支持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單看成小封裝的，存在于ATCA 載板中的電源元件，它其實包含了更多電源和控制功能。顯而易見，電源模塊的設(shè)計會極大地影響整個系統(tǒng)地效率和可靠性。

　　在本文的余下內(nèi)容將重點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)計細節(jié)討論。圖5 展示了電源模塊是如何在MicroTCA 機架中集成的。系統(tǒng)中有兩個電源模塊，它們分別位于首層機架的左邊和右邊。直流電源輸入是在前面板通過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。