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

　　這些例子表明了在不影響系統(tǒng)性能和可靠性的前提下保持電容是可以被減少的。注意，這完全取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)于實(shí)際應(yīng)用情況的知識(shí)和了解。當(dāng)他了解了實(shí)際情況之后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)同電源模塊廠家來(lái)討論和定義合適的保持時(shí)間。

　　對(duì)于滿足保持時(shí)間規(guī)范的成本影響又是如何呢？在本項(xiàng)目研究中電源模塊是工作在正常-48V系統(tǒng)帶電池備份的電壓下，即－54V，維持滿載情況下的10毫秒工作。在電源模塊中使用的電容是Nichicon 63V LS系列電解電容。占板面積為1100平方毫米，大約是整個(gè)PCB板的10％。保持電容的成本大概是2個(gè)成本單位。使用較少的保持電容對(duì)于成本降低貢獻(xiàn)較少，但對(duì)于減少器件的占板面積有正面作用。后者的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于板上其他器件的設(shè)計(jì)擺放是有好處的。

　　另一個(gè)設(shè)計(jì)思路是并沒有被驗(yàn)證過(guò)的，即在電源模塊的前級(jí)增加另外的電壓BOOST電路。這個(gè)BOOST電路可以使電容充電到一個(gè)較高的電壓，如－72V。這樣就必須選用高耐壓值的電容，同時(shí)可以減少電容的數(shù)量，因?yàn)閮?chǔ)存的能量同電容值電壓的平方是成比例的。另外，需要設(shè)計(jì)額外的BOOST電路

　　5.2 輸入電壓

　　另一個(gè)必須被系統(tǒng)設(shè)計(jì)者定義的因素是輸入電壓范圍。一個(gè)通用的原則是，要求的輸入電壓范圍越窄，那電源模塊在性能，效率和成本方面的表現(xiàn)就越優(yōu)。大多數(shù)情況下，對(duì)于電壓范圍在－40.5V到-57V之間的電信－48V系統(tǒng)，額定值在－54V。有些系統(tǒng)要求輸入電壓范圍應(yīng)用在并不常用的－60V電信電源系統(tǒng)，因而要求輸入電壓范圍在－50V到－72V之間。在我們的研究中，我們對(duì)于僅僅用在－48V系統(tǒng)，或要求含蓋－48V和-60V系統(tǒng)的情況，從能和成本方面進(jìn)行了分析。

　　輸入和保持電容當(dāng)然必須工作在更高的輸入電壓，充電電壓范圍從63V到80V。高耐壓值電容意味著低容積率，因此在電源模塊內(nèi)需要額外的容量和PCB面積。當(dāng)工作在－60V系統(tǒng)時(shí)，保持電容的數(shù)量是會(huì)減少的，因?yàn)楦嗟哪芰績(jī)?chǔ)存在高容值的電容中。但是既然研究分析是基于同時(shí)工作在－60V和-48V電源系統(tǒng)，就必須考慮最壞的情況。值得注意的是計(jì)算是基于80V電容，因此考慮設(shè)計(jì)裕量就必須選100V。

　　我們的研究結(jié)果如圖10所示。在表格中40.5－57V這一列的數(shù)據(jù)表示上文所述的基本設(shè)計(jì)。當(dāng)電容改到80V耐壓值以適應(yīng)－60V系統(tǒng)要求時(shí)，PCB面積和成本增加的情況在右列所示。另外需要大雪550平方毫米的PCB面積，同時(shí)電源模塊的成本大約增加0.5個(gè)成本單位。如果使用了前文所述的BOOST升壓電路，則這個(gè)分析結(jié)果是不適用的。

                          圖10 － 研究結(jié)果

　　我們同樣研究了最大輸入電壓對(duì)于電源模塊效率的影響。我們主要是測(cè)量了主要的48V 到12V 直流/直流變換器的效率。通常來(lái)說(shuō)，低的輸入電壓意味著主開關(guān)管的額定電壓可降低，這樣阻抗和功耗會(huì)減少。拿PKM 4304B PI 隔離直流/直流變換器為例，主開關(guān)管采用了100V 的管子以適應(yīng)－48V 和－60V 電源系統(tǒng)。如果在同樣的供應(yīng)商和產(chǎn)品線中選擇60V 的管子來(lái)替代100V 的管子，這樣這個(gè)模塊只能支持－48V 系統(tǒng)。使用60V 的管子阻抗可降低2.5毫歐，則當(dāng)電源模塊滿載時(shí)降低了0.3 瓦的功耗。結(jié)果如圖11 所示。

　　采用了60V 的管子后，在滿載時(shí)確實(shí)有功耗的降低，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)還是較小的。同時(shí)當(dāng)在半載以下的情況，使用60V 的管子后效率反而降低了。效率曲線的外形改變主要由于電壓等級(jí)的不同，在這個(gè)電壓等級(jí)上低耐壓值開關(guān)管開關(guān)特性勝于實(shí)際的直流阻抗。如果再花費(fèi)一些精力優(yōu)化一下使用60V 器件的電路，結(jié)果可能會(huì)不同。雖然如此，我們并不能得出結(jié)論，使用這個(gè)特定的器件在更寬的覆蓋－48V 和－60V 輸入電壓的情況下會(huì)對(duì)效率有負(fù)面影響。

                                   圖11 － PKM4304B PI和效率曲線

　　5.3 冗余

　　在MicroTCA規(guī)范中規(guī)定了在特定的應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)必須提供冗余的電源模塊以提高系統(tǒng)的可靠性。非常重要指出的是，作為冗余備份作用的電源模塊自然就比作為獨(dú)自工作的電源模塊更復(fù)雜和成本更高。對(duì)于那些不熟悉的人來(lái)說(shuō)，首先介紹了對(duì)于MicroTCA有效載荷和管理電源通道進(jìn)行電源備份的好處。然后將討論受冗余決定，有效載荷電源通道控制和直流/直流變換器性能影響的電源模塊設(shè)計(jì)思路。目的是讓OEM設(shè)計(jì)者了解尺寸，效率和成本對(duì)于冗余電源模塊的影響，確保當(dāng)冗余功能是必須的時(shí)才會(huì)去設(shè)計(jì)它。當(dāng)在不需要較高可靠性要求的系統(tǒng)時(shí)，不使用冗余模塊當(dāng)然是可以接受的。

　　一個(gè)2＋1備份的MicroTCA電源模塊系統(tǒng)例子如圖12所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，兩個(gè)電源模塊用來(lái)對(duì)總共16路輸出通道的有效載荷和管理供電。另外第三個(gè)電源模塊在正常情況下處于待機(jī)狀態(tài)，只有任一個(gè)模塊的任一通道發(fā)生故障時(shí)，它才工作。在MicroTCA規(guī)范中有非常詳盡的關(guān)于完成電源模塊冗余的要求。并不會(huì)使用電源并聯(lián)和均流技術(shù)，在任何情況下只有一個(gè)電源模塊給一個(gè)通道供電。如圖系統(tǒng)所示。電源模塊1只為1到8通道供電，電源模塊2只為9到16通道供電。冗余電源模塊3會(huì)給任一個(gè)通道供電，但只有在其中一個(gè)主電源模塊故障或下電。這個(gè)架構(gòu)的建立使每個(gè)通道的可能過(guò)流電流被限制住了。如果兩個(gè)電源模塊并聯(lián)，則短路電流就可以加倍，從而導(dǎo)致系統(tǒng)背板和連接器由于過(guò)流而損壞。

                                 圖12 － 2＋1備份的MicroTCA電源模塊

　　MicroTCA規(guī)范要求任一電源模塊可以被系統(tǒng)作為要么是主電源模塊，要么是冗余電源模塊。具體任一電源模塊承擔(dān)什么角色是由MCH模塊才決定的，但是任一電源模塊不能同時(shí)承擔(dān)兩個(gè)角色。在主電源的任一個(gè)輸出通道故障時(shí)，冗余電源模塊就會(huì)成為主電源模塊，而不會(huì)僅僅是對(duì)故障的通道進(jìn)行備份。故障的主電源模塊和冗余電源模塊之間的自動(dòng)切換是通過(guò)設(shè)定它們的電壓來(lái)完成的。主電源模塊的輸出電壓設(shè)定值比冗余電源模塊高，一般分別為12.5V和11.5V。由于高輸出電壓的模塊給負(fù)載供電，因此這樣“或”設(shè)定就保證在主電源模塊故障時(shí)能進(jìn)行瞬間自動(dòng)切換。但這個(gè)技術(shù)的運(yùn)用對(duì)于在冗余系統(tǒng)中使用的電源模塊（包括主電源模塊）電壓調(diào)整率提出了更苛刻的要求。在下節(jié)中我們將討論這個(gè)對(duì)于電源模塊設(shè)計(jì)的影響。

　　為了理解冗余對(duì)于電源模塊輸出通道控制的影響，非常容易地先看一下典型的沒有冗余電源模塊的情況，如圖13所示。圖中只是針對(duì)一個(gè)有效載荷通道的情況，但原理是相同的，因此在直流/直流變換器和EMMC控制器之外的所有有效載荷通道和管理通道的情況也是一樣的。由于管理電源通道的電流是很小的，因此并沒有設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。集中在單一的有效載荷通道來(lái)進(jìn)行討論。假定只有一個(gè)單路直流/直流變換器和一個(gè)EMMC模塊在一個(gè)電源模塊中，這個(gè)功能是被所有32路通道共享的。

　　在EMMC控制器，電流檢測(cè)電阻和輸出控制MOS管之間的框圖一般來(lái)說(shuō)會(huì)是一個(gè)專用的熱插拔控制IC。通常這些IC芯片可以控制多路通道，因此對(duì)于32路通道可能需要多個(gè)IC芯片，但每個(gè)通道的功能是獨(dú)立的。在每個(gè)通道上有兩個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)管。左邊的是導(dǎo)通器件，而右邊的是“或”器件。“或”器件防止電流從負(fù)載端倒灌入電源模塊中。導(dǎo)通器件用來(lái)使能或限制輸出電流，也用來(lái)限制對(duì)于熱插拔軟啟動(dòng)電路電流和故障電流。

                       圖13 － 2＋1備份的MicroTCA電源模塊

　　由于這是一個(gè)非冗余電源模塊，它的輸出要么是開要么是關(guān)。就沒有設(shè)定它為待機(jī)狀態(tài)以便取代其它的電源模塊。也就是說(shuō)兩個(gè)MOS管可以被同一個(gè)控制線路所驅(qū)動(dòng)，如圖所示。這導(dǎo)致了非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，只有兩個(gè)控制線路（使能和工作正常），對(duì)于這個(gè)有效載荷電源通道只需要定義三個(gè)情況。這三個(gè)情況是：
　　· 通道關(guān)閉
　　· 通道開和工作
　　· 通道開但有故障

　　必須注意沒有冗余并不等于限制了在系統(tǒng)中的電源模塊數(shù)量?？梢允嵌鄠€(gè)電源模塊，但每個(gè)電源模塊只能同特定的AMC卡，冷卻模塊或MCH模塊工作，在故障時(shí)，電源模塊之間并沒有互相支援和影響。

　　典型的對(duì)于輸出通道進(jìn)行冗余方法非常復(fù)雜，如圖14所示。電路原理時(shí)一樣的，但是多了一些聯(lián)路和控制狀態(tài)。EMMC模塊必須同12V的直流/直流變換器相連，這樣就可以根據(jù)這個(gè)電源模塊是被作為主電源模塊還是冗余電源模塊來(lái)對(duì)12V的直流/直流變換器的輸出電壓進(jìn)行設(shè)定。在圖14中這種聯(lián)接方式舉例為采用電源管理總線（PMBusTM）。PMBus還同熱插拔控制器相連，以便得到從輸出通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的能力。在EMMC模塊和熱插拔控制單元之間也有控制線路，對(duì)于熱插拔控制芯片進(jìn)行主/備份功能定義。請(qǐng)注意在實(shí)現(xiàn)冗余功能時(shí)，“或”器件是單獨(dú)被導(dǎo)通器件驅(qū)動(dòng)的。如果某個(gè)特定的電源模塊被定義作為冗余備份，這個(gè)“或”器件就會(huì)被關(guān)閉。由于冗余直流/直流變換器的電壓設(shè)置較低，這個(gè)“或”器件的體二極管就反向偏置。在主電源模塊發(fā)生故障時(shí)，這個(gè)體二級(jí)管會(huì)自動(dòng)正向?qū)ǎ瑥亩谷哂嚯娫茨K輸出功
率。然后“或”器件會(huì)被控制邏輯打開以減少連接阻抗和降低損耗。

                           圖14 － 允許冗余運(yùn)作時(shí)的有效載荷通道

　　所有一切為了實(shí)現(xiàn)冗余功能而導(dǎo)致了額外的復(fù)雜?，F(xiàn)在在EMMC控制器和熱插拔功能之間是四條控制線路而不是兩條。而被定義的控制狀態(tài)是七個(gè)而不是兩個(gè)。需要使用PMBus來(lái)連接直流/直流變換器。另外，當(dāng)使用冗余時(shí)，限流精度將要求更高。相較于如圖13所示不使用冗余的設(shè)置情況，冗余的解決方案需要額外增加300平方毫米的PCB面積來(lái)放置這些電路。這將是接近電源模塊PCB面積的2.5％。相對(duì)于非冗余的電源模塊來(lái)說(shuō)，冗余電源模塊解決方案將增加10個(gè)成本單位。這個(gè)估計(jì)是基于16個(gè)有效載荷通道的。對(duì)于低電流的管理管道來(lái)說(shuō)，這個(gè)影響是可以忽略的。同時(shí)需注意的是上述評(píng)估是基于2006年時(shí)的熱插拔器件的價(jià)格情況作出的。如今由于半導(dǎo)體廠家針對(duì)現(xiàn)在的MicroTCA市場(chǎng)開發(fā)出了更多高集成度和靈活的通道控制器件，因此上述評(píng)估的結(jié)果可能會(huì)有變化。另外從成本角度來(lái)看，相對(duì)于非冗余的系統(tǒng)，冗余系統(tǒng)當(dāng)然至少需要增加一個(gè)電源模塊。

　　我們現(xiàn)在來(lái)檢驗(yàn)冗余對(duì)于12V直流/直流變換器的影響。在基本的MicroTCA規(guī)范中定義了AMC模塊的輸入電壓精度范圍為10V到14V。既然允許負(fù)載模塊工作在這個(gè)電壓范圍內(nèi)的任一點(diǎn)，對(duì)于非冗余系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，12V直流/直流變化器的輸出精度可以是正負(fù)10％。在冗余系統(tǒng)中，這就是一個(gè)挑戰(zhàn)了。為了使主電源模塊和冗余電源模塊電壓保持壓差又不重合，同時(shí)又都必須滿足AMC模塊規(guī)定的電壓允許范圍，因此對(duì)于主電源模塊的電壓精度范圍就為12.25V到12.95V，而冗余電源模塊的電壓精度范圍為11.6V到12.0V。這個(gè)精度范圍包含了源和負(fù)載調(diào)整率以及溫度調(diào)整率。這意味著在冗余系統(tǒng)中，電源模塊內(nèi)的直流/直流變換器的電壓精度范圍只能是正負(fù)2％。輸出電壓精度范圍從正負(fù)10％變化到正負(fù)2％，對(duì)于變換器的設(shè)計(jì)有極大的影響。