MicroTCA 电源系统设计中必备的要素：性能，成本和可靠性

　　这篇技术文章可作为对于MicroTCA电源系统的通用指南，适合那些对于电源系统设计有全面了解但初次接触MicroTCA系统标准的工程师。它也适合那些已开始设计MicroTCA系统但想要详细了解电源系统设计和如何选择电源模块设计的工程师。

　　目录
　　1. 介绍
　　2. 历史回顾
　　3. 架构分析
　　3.1 AdvancedTCA
　　3.2 MicroTCA
　　4. MicroTCA电源模块概览
　　5. MicroTCA电源模块设计要素
　　5.1 保持电容
　　5.2 输入电压
　　5.3 冗余
　　5.4 双输入备份
　　6. 结论和小结
　　7. 术语表
　　8. 参考文献

　　1. 介绍

　　在当今信息和通行技术设备领域中，MicroTCA 还是一个全新的架构。虽然它是从ATCA的架构中演化而来，但无论从产品和应用领域来讲，还是有所不同的。本文在简单阐述了两者发展的历史背景和关系之后，着重介绍了MicroTCA 的供电架构以及电源模块的重要性。尤其是在MicroTCA 电源模块内设计要素对于整个系统中必须考虑的关于性能、成本和可靠性因素的影响。 本文内容对于OEM 厂家或准备采用MicroTCA 架构的使用者来说是有意义的，因为MicroTCA 标准和规范中本身就包含了一些对于电源模块要求的强制要求，如功能，接口，热设计和机械设计等。同时对于电源模块厂家来说，也提出了MicroTCA 电源模块设计的几个关键点供进一步讨论。总之，由电源厂家自身或由满足客户需求决定的设计方案最终会影响系统的整体性能。

　　这篇技术文章可作为对于MicroTCA电源系统的通用指南，适合那些对于电源系统设计有全面了解但初次接触MicroTCA系统标准的工程师。它也适合那些已开始设计MicroTCA系统但想要详细了解电源系统设计和如何选择电源模块设计的工程师。当然读者在确定设计方案之前，必须参考根据最新的市场动态需求而最新发布的MicroTCA的规范。文中的内容只代表我们的观点，当然也会有另外可行的方案存在。

　　2. 历史回顾

　　MicroTCA 标准是由PICMG 组织在2006 年7 月批准生效的，应用在信息和通信技术设备下一代开放式的设备平台架构。它基本来源于早期的ATCA 和AMC 架构和技术，但又进行和系统设计优化和改进以适应更低功率要求的设备应用，如CPE 和边缘，接入层的设备。ATCA的标准早在2002 年就存在了。ATCA 的载板采用分布式的供电架构，输入电压为-48V，在板的内部包含了功率控制和转换以及部分的二次电压变换。其他的二次电压变换是在AMC 板卡
内部实现的，而AMC 板卡又是插装在ATCA 载板上的。一个ATCA 系统机架中包含了一些载板。如在13U 高19 英寸机架中最多可插14 块载板，而符合ETSI 标准的600 毫米宽机架中可插16 块载板。

　　在MicroTCA 中，所有的负载实际就是AMC 板卡。对于已使用ATCA 架构的用户来说，采用AMC 板卡作为两种不同架构设备的通用中间介质，可以有效降低开发成本。单从AMC 板卡本身可生产性和成本角度考虑，经济利益也是可观的。由于不用再开发单独应用在MicroTCA 架构的AMC 板卡，减少了模块的种类，对于加快产品推向市场的时间以及将来减少备件成本都有积极意义。在MicroTCA 系统中最关键的是电源模块，由于并不在需要ATCA 架构中的载板，因此MicroTCA 电源模块承担了功率变换和控制的功能。MicroTCA 系统也可以安装在19 英寸系统中，最大可支持6U 高大系统，也可以是小系统。

　　图1表示了两种系统。AMC模块是两种系统中的通用模块，在MicroTCA系统中它将被直接插装在背板上，在ATCA系统中它将被插装在载板上，而载板是插在ATCA系统的背板上。在下节内容中将分别对两种架构的相同点和不同点进行阐述，以加深理解。

                 图1 － AMC 模块分别在ATCA 和MicroTCA 系统中的应用

　　3. 架构分析

　　下述内容提供了对于ATCA 和MicroTCA 两种系统关于架构和电源分配的基本介绍。实际的系统规范应随时参照最新发布的更详细的信息。

　　3.1 AdvancedTCA

　　图2 显示了ATCA 系统的典型电源架构。有些电源变换是在单独的载板之前发生的，如交流/直流变换和电池备份一般在集中供电的地方完成。－48V 电源功率被分配到单独的ATCA 机架。在每一层机架，电源输入模块（PEM）用来提供滤波和瞬态抑制。然后单独且备份的－48V 将联接到机架背板，背板是作为机架层的电源分配和每一个载板内的功率变换的接口。

　　在每一个载板内提供了保险，“或”二极管，瞬态电流抑制，滤波，保持电容和对于－48V 输入电压的检测。在每块载板中都可看作为一个可靠的小电源系统，就如同读者熟知的中间母线架构系统（IBA）。主要的隔离直流/直流变换器一般选择输出电压为12V，一方面12V输出中间母线电压模块在市场上是成熟的，另一方面AMC 模块本身也需要12V 电压作为输入。根据ATCA 规范，每一块载板的功耗在200W以下。

　　在ATCA 规范中，负载功率被称为“有效载荷”。在载板中包含直接安装在PCB 板上的有效载荷电路，可以通过一个或多个负载点电源（POL）把12V 的中间母线电压转换到有效载荷需要的低电压。另一个选项是把一个或多个AMC 模块安装在载板上。这些AMC 模块需要12V 作为输入电压。然后在AMC 模块内部进行负载点电源的电压变换。

                           图2 － 典型的ATCA 电压系统框图

                                 图3 － ATCA 载板包含AMC 模块示意图

　　另外一个对于每一块载板都必须有的功能就是电源控制，每一块载板所包含的智能平台管理控制器（IPMC）就是实现这个功能。在规格中要求载板作为使用控制电路最大功率10W，同时控制电路要求承担同机架层管理进行通信，明确电源启动的先后顺序。要满足这个需求，可以使用一个隔离的3.3V 输出的直流/直流变换器在每个载板中，对智能平台管理控制器供电，也可以作为每个AMC 模块的管理器件部分的供电。通过这种方式，在IPMC 启动这个载板的有效载荷之前，AMC 板卡的管理器件部分已得到了供电。另外，载板电源控制部分对于每个AMC 板卡必须包含电压监控，电流限流，时序和热插拔控制功能。

　　因此每个载板运行需要高性能的电源许可条件和控制功能，主要针对输入电源部分以及存在于载板或AMC模块中的有效载荷电源部分。这个高性能的载板功能如图3所示。载板是水平架构280毫米深以及322毫米高。在例子中，包含了从－48V的直流/直流变换到中间母线电压，然后作为两个AMC模块的输入。这个母线电压也可以作为载板上负载点调整器的输入电压。

　　3.2 MicroTCA

　　MicroTCA 应被看作为ATCA 系统的完善而不是替代。MicroTCA 在特定的应用市场有它的优点。对于那些并不需要大功率以及低端应用设备来说，比如边际网，接入和CPE 设备，MicroTCA 是有吸引力的，主要优点是更小的结构尺寸和更低的硬件成本。虽然体积更小以及成本更低，但对于MicroTCA 系统的典型可靠性要求同那些使用ATCA 架构的设备是一样的。一些基本的功能要求，如电源许可条件和控制也是必须的。在两种架构之间主要的不同点之一是电源系统集中和物理配置的程度不同。

　　在ATCA 架构中，所有的电源转换功能存在于每个载板中。同时有效载荷电路可以灵活地配置在AMC 模块和载板PCB 或两者兼而有之。而MicroTCA 架构则简化为要求所有的有效载荷都存在在AMC 模块中，而集中所有的主要电源转换和控制在由一个或多个MicroTCA 电源模块组成的子系统中。整体的MicroTCA 系统图如图4 所示。一个完整的MicroTCA 系统规格如下：“一个最小的MicroTCA 系统包含至少一个AMC 模块，至少一个MicroTCA 网络集线器载板（MCH），交互联接，电源，冷却模块以及支持的机械结构。”如图所示的系统支持最多12 块包含有效载荷电路的AMC 模块，每个AMC 模块需要特定的从20 到80 瓦之间的有效载荷功率。按照MicroTCA 规范规定：“不同的功能单元支持完成系统不同的功能。例如AMC模块需能安装在MicroTCA 机架上，包含CPU，DSP 器件，处理器，存储器，以及不同种类的AMC 模块I/O 接口（包括金属和光器件，无线射频器件，以及同其他盒式设备的接口）。”MCH 模块提供了对于所有的AMC 模块的交互控制功能。另一个备份的MCH 模块经常用于高有效性要求的系统。同样的，有时也会使用另一个备份的冷却系统。背板是用来作为所有这些元件的交互联接的机械平台。而电源模块是整个MicroTCA 系统的非常关键的部件。它用来作为对所有子系统模块的集中供电，功率变换和控制。一般来说在一个简单的MicroTCA 系统中会使用一到四个电源模块。使用超过一个以上的电源模块要么是满足电源功率需求，要么是满足备份需求。

                     图4 － MicroTCA 架构概览（红色部分为部分电源系统）

                              图5 － 包含AMC 模块和电源模块的MicroTCA 机架

　　MicroTCA 的规范提供了非常清晰的对于使用电源模块的目的和功能描述：“MicroTCA 电源模块实现从输入电压到12V 电压变换，给每个AMC 模块提供有效载荷电源。AMC 模块所需的3.3V 管理电源同样由电源子系统提供。电源模块的电源控制逻辑表现为时序控制，保护和隔离功能。电源子系统是由载板管理器所控制的，它确保在每个电源通道使能之前有足够的电源功率去驱动。”“电源模块同样包含了必要的监控功能以管理电源子系统。它们有检测AMC，MCH 和冷却模块存在，以及给每个电源分支上电的电路。电源模块还要监控每一支路的电源质量并确保它们不过载。如果配置了一个冗余电源模块，当主电源模块失效时，冗余电源模块将自动担负起其的供电备份功能。”电源模块需担负起最多为12 个AMC 模块的有效载荷和管理部分器件供电，还要能为最多2 个冷却模块和两个MCH 模块供电。因而，许多电源模块被设计为能最多支持16 路电源通道，或当有效载荷和管理部分电源分开时最多支持32 路通道。

　　很明显的是许多功能被集成到了电源模块中，因而它当然成为MicroTCA 系统中最重要的单元之一。相较于把电源模块只是简单看成小封装的，存在于ATCA 载板中的电源元件，它其实包含了更多电源和控制功能。显而易见，电源模块的设计会极大地影响整个系统地效率和可靠性。

　　在本文的余下内容将重点介绍电源模块的情况。首先描述了所有的功能和分，然后是一些重要的设计细节讨论。图5 展示了电源模块是如何在MicroTCA 机架中集成的。系统中有两个电源模块，它们分别位于首层机架的左边和右边。直流电源输入是在前面板通过连接器连接到电源模块的，12V 和3.3V 输出电源是在电源模块后部同MicroTCA 背板相联接的。