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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

  这些例子表明了在不影响系统性能和可靠性的前提下保持是可以被减少的。注意,这完全取决于系统设计者对于实际应用情况的知识和了解。当他了解了实际情况之后,系统设计者会同模块厂家来讨论和定义合适的保持时间。

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

  对于满足保持时间规范的成本影响又是如何呢?在本项目研究中模块是工作在正常-48V系统带电池备份的下,即-54V,维持满载情况下的10毫秒工作。在模块中使用的是Nichicon 63V LS系列电解。占板面积为1100平方毫米,大约是整个PCB板的10%。保持电容的成本大概是2个成本单位。使用较少的保持电容对于成本降低贡献较少,但对于减少器件的占板面积有正面作用。后者的优点对于板上其他器件的设计摆放是有好处的。

  另一个设计思路是并没有被验证过的,即在电源模块的前级增加另外的BOOST电路。这个BOOST电路可以使电容充电到一个较高的,如-72V。这样就必须选用高耐压值的电容,同时可以减少电容的数量,因为储存的能量同电容值电压的平方是成比例的。另外,需要设计额外的BOOST电路

  5.2 输入电压

  另一个必须被系统设计者定义的因素是输入电压范围。一个通用的原则是,要求的输入电压范围越窄,那电源模块在性能,效率和成本方面的表现就越优。大多数情况下,对于电压范围在-40.5V到-57V之间的电信-48V系统,额定值在-54V。有些系统要求输入电压范围应用在并不常用的-60V电信电源系统,因而要求输入电压范围在-50V到-72V之间。在我们的研究中,我们对于仅仅用在-48V系统,或要求含盖-48V和-60V系统的情况,从能和成本方面进行了分析。

  输入和保持电容当然必须工作在更高的输入电压,充电电压范围从63V到80V。高耐压值电容意味着低容积率,因此在电源模块内需要额外的容量和PCB面积。当工作在-60V系统时,保持电容的数量是会减少的,因为更多的能量储存在高容值的电容中。但是既然研究分析是基于同时工作在-60V和-48V电源系统,就必须考虑最坏的情况。值得注意的是计算是基于80V电容,因此考虑设计裕量就必须选100V。

  我们的研究结果如图10所示。在表格中40.5-57V这一列的数据表示上文所述的基本设计。当电容改到80V耐压值以适应-60V系统要求时,PCB面积和成本增加的情况在右列所示。另外需要大雪550平方毫米的PCB面积,同时电源模块的成本大约增加0.5个成本单位。如果使用了前文所述的BOOST升压电路,则这个分析结果是不适用的。

        

                          图10 - 研究结果

  我们同样研究了最大输入电压对于电源模块效率的影响。我们主要是测量了主要的48V 到12V 直流/直流变换器的效率。通常来说,低的输入电压意味着主开关管的额定电压可降低,这样阻抗和功耗会减少。拿PKM 4304B PI 隔离直流/直流变换器为例,主开关管采用了100V 的管子以适应-48V 和-60V 电源系统。如果在同样的供应商和产品线中选择60V 的管子来替代100V 的管子,这样这个模块只能支持-48V 系统。使用60V 的管子阻抗可降低2.5毫欧,则当电源模块满载时降低了0.3 瓦的功耗。结果如图11 所示。

  采用了60V 的管子后,在满载时确实有功耗的降低,但是相对来说还是较小的。同时当在半载以下的情况,使用60V 的管子后效率反而降低了。效率曲线的外形改变主要由于电压等级的不同,在这个电压等级上低耐压值开关管开关特性胜于实际的直流阻抗。如果再花费一些精力优化一下使用60V 器件的电路,结果可能会不同。虽然如此,我们并不能得出结论,使用这个特定的器件在更宽的覆盖-48V 和-60V 输入电压的情况下会对效率有负面影响。

         

                                   图11 - PKM4304B PI和效率曲线

  5.3 冗余

  在规范中规定了在特定的应用场合,系统必须提供冗余的电源模块以提高系统的可靠性。非常重要指出的是,作为冗余备份作用的电源模块自然就比作为独自工作的电源模块更复杂和成本更高。对于那些不熟悉的人来说,首先介绍了对于有效载荷和管理电源通道进行电源备份的好处。然后将讨论受冗余决定,有效载荷电源通道控制和直流/直流变换器性能影响的电源模块设计思路。目的是让OEM设计者了解尺寸,效率和成本对于冗余电源模块的影响,确保当冗余功能是必须的时才会去设计它。当在不需要较高可靠性要求的系统时,不使用冗余模块当然是可以接受的。

  一个2+1备份的电源模块系统例子如图12所示。在这个系统中,两个电源模块用来对总共16路输出通道的有效载荷和管理供电。另外第三个电源模块在正常情况下处于待机状态,只有任一个模块的任一通道发生故障时,它才工作。在MicroTCA规范中有非常详尽的关于完成电源模块冗余的要求。并不会使用电源并联和均流技术,在任何情况下只有一个电源模块给一个通道供电。如图系统所示。电源模块1只为1到8通道供电,电源模块2只为9到16通道供电。冗余电源模块3会给任一个通道供电,但只有在其中一个主电源模块故障或下电。这个架构的建立使每个通道的可能过流电流被限制住了。如果两个电源模块并联,则短路电流就可以加倍,从而导致系统背板和连接器由于过流而损坏。

        

                                 图12 - 2+1备份的MicroTCA电源模块

  MicroTCA规范要求任一电源模块可以被系统作为要么是主电源模块,要么是冗余电源模块。具体任一电源模块承担什么角色是由MCH模块才决定的,但是任一电源模块不能同时承担两个角色。在主电源的任一个输出通道故障时,冗余电源模块就会成为主电源模块,而不会仅仅是对故障的通道进行备份。故障的主电源模块和冗余电源模块之间的自动切换是通过设定它们的电压来完成的。主电源模块的输出电压设定值比冗余电源模块高,一般分别为12.5V和11.5V。由于高输出电压的模块给负载供电,因此这样“或”设定就保证在主电源模块故障时能进行瞬间自动切换。但这个技术的运用对于在冗余系统中使用的电源模块(包括主电源模块)电压调整率提出了更苛刻的要求。在下节中我们将讨论这个对于电源模块设计的影响。

  为了理解冗余对于电源模块输出通道控制的影响,非常容易地先看一下典型的没有冗余电源模块的情况,如图13所示。图中只是针对一个有效载荷通道的情况,但原理是相同的,因此在直流/直流变换器和EMMC控制器之外的所有有效载荷通道和管理通道的情况也是一样的。由于管理电源通道的电流是很小的,因此并没有设计的挑战。集中在单一的有效载荷通道来进行讨论。假定只有一个单路直流/直流变换器和一个EMMC模块在一个电源模块中,这个功能是被所有32路通道共享的。

  在EMMC控制器,电流检测电阻和输出控制MOS管之间的框图一般来说会是一个专用的热插拔控制IC。通常这些IC芯片可以控制多路通道,因此对于32路通道可能需要多个IC芯片,但每个通道的功能是独立的。在每个通道上有两个串联的半导体开关管。左边的是导通器件,而右边的是“或”器件。“或”器件防止电流从负载端倒灌入电源模块中。导通器件用来使能或限制输出电流,也用来限制对于热插拔软启动电路电流和故障电流。

        

        

                       图13 - 2+1备份的MicroTCA电源模块

  由于这是一个非冗余电源模块,它的输出要么是开要么是关。就没有设定它为待机状态以便取代其它的电源模块。也就是说两个MOS管可以被同一个控制线路所驱动,如图所示。这导致了非常简单的实现方式,只有两个控制线路(使能和工作正常),对于这个有效载荷电源通道只需要定义三个情况。这三个情况是:
  · 通道关闭
  · 通道开和工作
  · 通道开但有故障

  必须注意没有冗余并不等于限制了在系统中的电源模块数量。可以是多个电源模块,但每个电源模块只能同特定的AMC卡,冷却模块或MCH模块工作,在故障时,电源模块之间并没有互相支援和影响。

  典型的对于输出通道进行冗余方法非常复杂,如图14所示。电路原理时一样的,但是多了一些联路和控制状态。EMMC模块必须同12V的直流/直流变换器相连,这样就可以根据这个电源模块是被作为主电源模块还是冗余电源模块来对12V的直流/直流变换器的输出电压进行设定。在图14中这种联接方式举例为采用电源管理总线(PMBusTM)。PMBus还同热插拔控制器相连,以便得到从输出通道进行数据采集的能力。在EMMC模块和热插拔控制单元之间也有控制线路,对于热插拔控制芯片进行主/备份功能定义。请注意在实现冗余功能时,“或”器件是单独被导通器件驱动的。如果某个特定的电源模块被定义作为冗余备份,这个“或”器件就会被关闭。由于冗余直流/直流变换器的电压设置较低,这个“或”器件的体二极管就反向偏置。在主电源模块发生故障时,这个体二级管会自动正向导通,从而使冗余电源模块输出功
率。然后“或”器件会被控制逻辑打开以减少连接阻抗和降低损耗。

        

        
       

                           图14 - 允许冗余运作时的有效载荷通道

  所有一切为了实现冗余功能而导致了额外的复杂。现在在EMMC控制器和热插拔功能之间是四条控制线路而不是两条。而被定义的控制状态是七个而不是两个。需要使用PMBus来连接直流/直流变换器。另外,当使用冗余时,限流精度将要求更高。相较于如图13所示不使用冗余的设置情况,冗余的解决方案需要额外增加300平方毫米的PCB面积来放置这些电路。这将是接近电源模块PCB面积的2.5%。相对于非冗余的电源模块来说,冗余电源模块解决方案将增加10个成本单位。这个估计是基于16个有效载荷通道的。对于低电流的管理管道来说,这个影响是可以忽略的。同时需注意的是上述评估是基于2006年时的热插拔器件的价格情况作出的。如今由于半导体厂家针对现在的MicroTCA市场开发出了更多高集成度和灵活的通道控制器件,因此上述评估的结果可能会有变化。另外从成本角度来看,相对于非冗余的系统,冗余系统当然至少需要增加一个电源模块。

  我们现在来检验冗余对于12V直流/直流变换器的影响。在基本的MicroTCA规范中定义了AMC模块的输入电压精度范围为10V到14V。既然允许负载模块工作在这个电压范围内的任一点,对于非冗余系统来说,12V直流/直流变化器的输出精度可以是正负10%。在冗余系统中,这就是一个挑战了。为了使主电源模块和冗余电源模块电压保持压差又不重合,同时又都必须满足AMC模块规定的电压允许范围,因此对于主电源模块的电压精度范围就为12.25V到12.95V,而冗余电源模块的电压精度范围为11.6V到12.0V。这个精度范围包含了源和负载调整率以及温度调整率。这意味着在冗余系统中,电源模块内的直流/直流变换器的电压精度范围只能是正负2%。输出电压精度范围从正负10%变化到正负2%,对于变换器的设计有极大的影响。



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