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MicroTCA 电源系统设计中必备的要素:性能,成本和可靠性

作者:时间:2008-06-06来源:电子产品世界收藏

  4. 模块概览

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/83883.htm

   要求模块具有很多重要的功能,包括:
  · “或”输入
  · 针对输入电源浪涌保护的热插拔控制
  · 输入电源滤波
  · 电源保持
  · 48V 到12V 的直流/直流变换(有效载荷电源)
  · 输入到输入隔离
  · 12V 到3.3V 变换(管理电源)
  · 输出电源分配
  · 针对多个AMC 模块,冷却模块和MCH 模块的热插拔控制
  · 输出电源的监控和控制
  · 输出电源保护电路

  从大型的ATCA 载板到相应的小 电源模块,其中合并了电源电路和系统级的控制/管理功能,意味着对于整个系统的成功,电源模块的设计,表现和可靠性起到了关键性的作用。图6 是一个框图,展示了一个典型的MicroTCA 电源模块内部的情况。大多数的功能同一个ATCA 载板的电源系统是相似的,但也有一些区别。

  在ATCA 架构中,有一个电源输入模块(PEM),在电源被分配到载板之前,这个模块提供了一些输入电源允许和保护功能,包含瞬态保护和滤波。在MicroTCA 架构中,并没有PEM模块。因此“纯”直流输入电源是直接通过电源模块前面板的连接器输入电源模块的。这就意味着所有PEM模块的功能必须包含在每个电源模块中。ATCA 载板包含有对于-48V 输入的保险丝。在MicroTCA 中,保险丝被典型地用在电源分配单元中,对于每个通过电缆从电源模块前部供电的支路提供熔丝保险。因而,通常在电源模块内部并不需要保险丝。另外,前端功能同ATCA 是十分相似的,也有“或”二极管,EMI 滤波,瞬态电流抑制和保持。当ATCA 总是必须包含两路冗余-48V 输入时,MicroTCA 有时可配置一路输入,有时配置两路冗余输入。

  电源模块包含了一个单路的-48V到12V的隔离直流/直流转换器,这点同ATCA是相似的。但是它的功率段提升到了600瓦。从12V变换到低压的一个负载点电源是用来产生管理部分的电源。另外在AMC模块内部的负载点电源是用来进行12V到低压的转换以给有效载荷供电。MicroTCA电源模块的控制部分叫做“加强的模块化管理控制器”(EMMC),是用来监控和管理系统配置的所有AMC卡,冷却模块和MCH模块中的有效载荷和管理部分所需的电源。

        

                          图6 - 典型的MicroTCA 电源模块内部框图

  更详尽的描述真正的MicroTCA电源模块的示意图如图7。这个特定的电源是单宽、全高标准的模块,外形尺寸为73.5×186.6×28.9毫米。它可支持和管理电源为12个AMC模块,2个冷却模块和2个MCH模块供电,最多支持32个通道。

  由于从ATCA载板的分布式供电架构转换成现在使用几个(1到4)集中供电的MicroTCA电源模块,导致了要求更高的电源功率密度,要求一些电源需输出600瓦。因此,高效的设计对于封装的考虑和出于对系统可靠性要求的考虑都是至关重要的。相较于在ATCA载板环境,在MicroTCA环境中进行输入电源瞬态抑制,EMI控制和保持的设计是很困难的。因为必须符合相同的标准,但功率却从200瓦提升到了600瓦。满足控制和管理的需求同样是有挑战性的,因为它必须同最多32个输出通道接口,还包括了MCH模块。

  上述需求导致选择和设计好MicroTCA电源模块成为整个系统设计成功的关键因素。在下面的章节中我们将详细介绍一些电源模块设计的要点是如何帮助确保系统设计成功的。虽然MicroTCA系统也可被用作其它输入应用,如24V直流或全球范围交流输入,但下列讨论仅基于最通用的电信-48V输入电压情况。

        

       

                           图7 - MicroTCA 电源模块例子

  5. MicroTCA 电源模块设计要素

  在MicroTCA 的标准中实际上包含了三层不同程度的要求称谓,就如同我们每天的生活语言一样,“将”,“应该”,“可以”。也就是说,它定义了一层要求含义是必须满足的,另外两层要求含义是推荐和指南,保持了一定程度的灵活度。使MicroTCA 系统和元件的集成更适合实际的应用场合。对于系统设计者来说这个灵活度是个优点,因为在大多数情况下系统设计往往在整体性能,可靠性和成本之间进行平衡。MicroTCA 电源模块的设计和规格就是一个很好的体现这个灵活性的例子,因为有些情况下电源模块参数会不同但仍然满足MicroTCA 的标准。爱立信在一些参数方面进行了深入的研究,以确定电源模块的最终性能对其他方面如成本的影响。对于OEM 系统设计者在定义和选择MicroTCA 电源模块时这些信息也是重要的。在本文中讨论的设计要点包括保持电容,输入电压,冗余和双输入备份。

  这个研究的硬件平台是基于爱立信开发的355 瓦的MicroTCA 电源模块,如图8 所示。基本的规格和参数如下表所示:

       

        
       

                       图8 - 爱立信MicroTCA 电源模块 ROA 117 5078/1

  用“成本单位”这个名词来定义成本。基于我们的样机在2007 年第二季度时的成本估算整个的材料成本(BOM)为400 个成本单位。如果说设计改变导致20 个成本单位的减少,就意味着5%的材料成本的降低。在本文中得出的一些成本方面的结论,虽然使用了相对的成本单位的概念,但对于系统设计者来说在确定电源模块规格和平衡各方面因素时可以作为参考。

  5.1 保持电容

  在典型的MicroTCA电源模块中使用了相当数量的大个的电解电容。它的作用是基于MicroTCA强制标准之一所规定的,即当输入电源短时中断时,如在输入电压母线上的短路情况,必须维持模块运作一段时间。

  在标准中定义了最坏的情况,即输入电压最低跌落到5V,维持10毫米,要求电源模块在这个期间维持工作。一般来说电源模块的设计者会在-48V输入侧,“或”二极管的后级加几个保持电容。在正常的输入电压恢复之前,储存在这些电容内的能量可以维持电源模块的正常工作。

  这个需求规定可以通过图9来理解,这是一个典型的MicroTCA系统。这个系统由一个机柜和两个机架组成。每个机架包含一个电源模块,-48V输入电压是通过电缆从电源分配单元(PDU)得到的。如图所示,假定短路情况发生在机架1的-48V输入侧,由于在PDU中每个电路是单路保护的,因此故障路的保险或空气开关加打开以隔离故障侧电路同系统的联系。但是故障发生和清除并不是及时的,在保险启动隔离工作以前有一个极短的响应周期,在这个期间短路大电流将把正常的-48V电压拉低。也就是说,机架2的电源模块将工作在输入电压短时中断的情况。因此在MicroTCA标准中就规定了电源模块在最坏情况下,即输入电压只有5V,也需工作至少10毫秒。

        

                           图9 - 短路造成的在输入侧电压跌落

  上述规范是为了确保有一个可靠性的系统。但在某些情况下即使少一些保持时间,即少一些保持电容,也可以达到同样的可靠性系统的效果。例如:
  · 如果在实际应用中的机柜只有一个机架和一个电源模块,那上述故障情况就不是对保持时间的要求了,因为在保险断开后,电源模块将不工作。在这种情况下,根本不需要保持电容。

  · 系统设计者必须了解在PDU单元中器件是如何动作来消除故障的。一般来说保险丝和空气开关的动作并不需要10毫秒。例如,如果设计能确保故障的响应和消除时间在5毫秒,那就意味着保持电容数量可以减半。

  · 在规范中假定在故障发生时电源模块是工作在满载情况下。但在大多数情况下,系统设计会留有裕量,电源模块不会在满载情况下工作。如果说真正应用情况下的最大负载比电源模块的额定负载要小,那么要求电容的保持时间也可以相应减少。

  · 有些系统设计者采用一种叫“两步高阻分布方式”(TS-HOD)技术。应用这种技术,-48V电缆被预制了一个阻值。这会抑制短路电流增大,从而使输入电压不会降低到-40.5V以下,而这个电压就在电源模块正常的工作范围了。



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