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

　　在这个研究项目中并没有重新设计这个变换器以量化体现这个影响，但通过对两种不同类型的爱立信电源模块作对比可以得出一些概念化的结论。

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

　　图15和图16总结了两种电源模块的一些参数特性，它们的输入电压范围基本一致，输出电压都是12V。它们基本上是同时代的产品，在效率的功率密度方面基本上是业界的领先者。它们的形状和尺寸几乎是一样的。PKM4304B模块只有前馈环而没有反馈环，因此是半稳压的。这样可以简化控制电路部分的设计，但如图所示输出电压会有跌落。额外的空间节省可以用来加强功率部分，从而导致这个模块可以输出380瓦，同时达到高效95.3％。这个模块并不是为了冗余应用而设计的，应作为标准的中间母线电源模块。

图15 －有反馈环和无反馈环的模块性能比较

图16 －性能参数小结

　　PKM4213C模块，物理尺寸是相同的，由于有输出电压反馈电路是其输出精度可达正负2.5％，适合在作为冗余系统应用的电源模块内使用。当然达到这个性能也是有代价的，效率只有93.3％，比PKM4304B模块低。由此我们可以得出结论，在冗余系统中使用的电源模块，其功耗会比非冗余系统使用的电源模块高。其产品封装的功率密度将是一个挑战。

　　当新技术出现后，上述数字结果当然会随之发展。但事实是，需要维持更精确的输出电压精度，必然在直流/直流变换器内需要额外的控制电路，这将影响电源的功率密度和效
率。

　　5.4 双输入备份

　　事实上，MicroTCA独特的物理结构决定了它可以通过对直流/直流变换进行冗余设计，以加强系统的实用性。其他基于在背板上提供－48V母线类型的系统往往利用了对－48V进行冗余，但在每个载板内只有一个48V到低压的直流/直流变换器。这个直流/直流变换器就表示它是一个没有冗余备份的单点故障源。从成本和单板空间角度来看，在每个载板内再提供另外一个直流/直流变换器是不可行的，因为这样的化系统中的每个载板都要进行这样的复制。

　　MicroTCA提供了一个灵巧和有效的方法来解决这个难题。通常MicroTCA系统机架被设计成可以放置两个电源模块。如果每一个电源模块的输入来自于不同的－48V源，这样电源模块就很容易进入冗余管理模式，这样对于任一路－48V源故障，以及系统中所有AMC模块所需的功率变换和控制功能，都有了完整的冗余备份。

　　可以很容易的通过增加一个额外的电源模块来实现，胜于在系统中使用多个直流/直流变换器的方法。这就给了OEM制造商一个机会，在较小的空间和合理的增加成本下，可以使MicroTCA系统成为完全意义上的电源备份系统。需要强调的是－48V背板备份重要性只是用来解释架构的不同。真正的系统级的可靠设计绝不能拿这个例子一个直流/直流变换器对应一块板来作为例子。对于在MicroTCA进行冗余设计的讨论有助于澄清可行的系统设计方案。另外一个非常重要的要点是能提供电源输入源冗余并不意味着电源模块必须包含支持电源双输入的能力。

　　一个通用的支持双电源输入的系统如图17所示。在这个系统中，机柜和机架都支持双输入。问题是如何利用好这些双输入功能。有三种可能性如下：
　　· 一个带双输入的电源模块
　　· 两个冗余备份的单输入电源模块
　　· 两个冗余备份的双输入电源模块

　　一个带双输入的电源模块－这是一个非冗余电源模块的方案，单一电源模块支持整个机架的供电。电源模块支持两个输入，当其中一个电源源故障时，可以起到冗余的作用，但当电源模块内部直流/直流变换器失效时，就没有冗余作用了。也就是说，直流/直流变换器成为了单一故障点而没有冗余备份。系统设计者可以决定这是否是可行的设计方向，但可以引起争论的是，电源源的故障率往往低于直流/直流变换器的故障率。如果是这样的话，下列的选项就更有吸引力了。

　　两个冗余备份的单输入电源模块－这是一个1＋1电源冗余备份的方式。电源源A输入到一个电源模块，电源源B输入到另一个电源模块。两个电源模块都仅有一路电源输入，而只需要一个电源模块就可以对整个系统负载供电。这样无论是直流/直流变换器和输入电源源都有了冗余备份。这个解决方案是针对第一个方案中无法对直流/直流变换器进行冗余的改进。

　　两个冗余备份的双输入电源模块－这个解决方案同上述的区别在于，两路电源源都进到了两个电源模块中，同时要求两个电源模块都有支持双输入的能力。和前一个方案一样，这个解决方案对于单个直流/直流变换器和电源源的故障都进行了冗余。对于多点故障，它还提供了更多的保护，实际上这个方案对于输入源的故障提供了1＋3的冗余，电源电模块的故障提供了1＋1的冗余。当多点故障同时发生时，这个方案也能起到保护作用。例如在电源分配单元（PDU）同时有最多三个保险丝和电缆故障，或同时有一路输入源和一个直流/直流变换器故障。也许会有一些系统会需要这样级别的备份保护，但许多MicroTCA的应用可能只需要针对一种故障情况进行保护。

图17 －双电源输入建立

一般来说应是系统设计者会针对特定的应用情况来做出上述的方案选择。从我们的观点来看，许多MicroTCA系统会采用第二种保护方式。对于输入源故障和直流/直流变换器故障都提供了单一保护，同时又不需要双输入的电源模块。这个分析仅仅适用于假定的1＋1电源冗余备份。在其他情况下结论可能就不同了。例如在使用单输入电源模块的3＋1备份系统，一路电源源的故障意味着两个电源模块将下电，会导致剩下的两个电源模块出现过流情况。要求一个电源模块提供支持双输入功能在成本、效率和尺寸方面的影响在下文中会涉及。系统设计者必须在对于多点故障的保护和这些因素影响方面做出平衡。

　　如图18所示是关于单输入和双输入电源模块的比较。单输入系统使用了有源器件和12毫欧的前馈电阻进行反极性保护。这个器件可看作是一个二极管同输入电压侧直接相连（不需要外部的控制）。对于双输入来进行反极性保护就复杂多了，需要总共4个二极管来实现这个功能，又必须满足MicroTCA的规范。两者之间的功率损耗和效率差别是很大的，双输入模块有10W的二极管损耗而单输入模块只有1W。双输入模块的效率将降低2.7％。同时使用双输入电源设计将额外需要750平方毫米的PCB面积，增加12个成本单位。大多数增加的成本主要体现在另一个输入电源连接器。在许多系统设计中，为了提高系统在多点故障的可靠性而采用这种方式同时又付出这些代价，将是得不偿失的。

　　从技术角度上讲当然可以允许采用MOS管用在双输入电源模块前级上，因而消除由于二极管而产生的功率损耗。这种实现方式将需要一个更复杂的控制系统，以确保MOS管在应该工作的时候才导通。更为重要的是，在需要MOS管不工作时，它们必须被及时地关断。可以确定的是在同时满足反极性保护和消除两路电源输入交叉影响的情况下使用MOS管是极大的挑战。因此使用二极管是基本可靠的。

图18 －单输入和双输入电源模块

　　6. 结论和小结

　　在本文中很难对所有的议题都进行深入的阐述，因为MicroTCA 电源模块并不能被看作为单一的实体，而更应被视为整个系统中的重要部件之一。因此，应该根据实际的应用情况来做出相应的设计决定。同时系统设计者应该对如电源模块等的重要部件提出需求。本文的目的就是为了让系统设计者了解这些最终的决定会影响电源模块的成本，性能，效率和功率密度，从而做出正确的决定。应牢记没有一种方案是放之四海皆适用的，下面的一些结论包含了对一些通用指南的精华，可能会有用。图19 总结了对于电源模块的影响。

图19 －电源模块影响小结

　　· MicroTCA系统是对ATCA系统的成功的补充，对于需要小型化，低功率和低成本的系统来说是个福音。

　　· MicroTCA具备成为高可靠性和冗余电源系统的能力，通过对直流/直流变换的冗余可以加强它的可靠性。

　　· 随着客户需求和技术的发展，包括电源模块在内的商用化的MicroTCA部件和系统将面世。可能的发展趋势包括提高器件集成度，高封装密度和更低的生产成本和价格

　　· 由于包含了电源匹配，功率转换和控制功能，因此电源模块作为一个非常重要的部件对于一个成功的，高可靠的MicroTCA系统设计又决定性影响

　　· 系统设计的决定可以影响到MicroTCA电源模块的性能、效率、尺寸和成本

　　· 保持电容－为了实现10毫秒保持时间而增加的2个成本单位并不是主要的不利因素。这些电容会选用高可靠性低故障类的电容，还会在降额上采用保守设计，因此电容数量对于可靠性的影响也不是问题。对于电源模块主要的影响是需额外的PCB面积来放置保持功能单元电路，在355瓦电源模块中将要占到10％的PCB面积。如果预见到未来开发的单宽全高的600瓦电源模块，需要增加保持功能单元电路的PCB面积，那对电源模块的设计就带来了挑战。在本文中讨论的一种或几种保持规格实现的情况可以帮助减轻这种担忧。

　　· 输入电压－设计一个可以覆盖－48V和－60V系统的电源模块，相对于只针对－48V系统的电源模块，并没有在性能或成本上带来影响。只会轻微改变效率曲线，同时对保持电容的数量和耐压值有影响。也许这会带来另外的影响，也就是系统含盖－60V系统可能需要安规认证，当然这并不在本文的讨论分析范围之内。根据安全低压安规标准（SELV），超过标准规定的安全电压电源模块，需要另外的测试，以及在电源模块内需要更宽的爬电距离设计。

　　· 冗余－提供冗余电源模块功能将增加大约10个成本单位。当未来更高集成度的热插拔半导体解决方案面世时，这个成本和PCB占板面积增加的情况会有所改观。对于系统设计者来说，最大的并没有减少的成本，恰恰是在软件开发，性能测试和交互测试上，尤其是对于复杂的冗余的电源模块系统。从电源模块角度来看，提供冗余功能对于电源模块来说最大的影响在直流/直流变换器需要更窄的输出电压精度范围。从今天的技术水平来看是可以满足这个需求的，但是导致了降低了功率密度和转换效率。当然，使用冗余的电源模块架构需要增加至少一个额外的电源模块成本。

　　· 双输入－从研究的这四方面来讲，也许这个的影响是最大的。在一个电源模块中增加双输入的功能将增加大约12个成本单位和9瓦的额外损耗，降低效率。在许多MicroTCA系统中并不会出现这样的情况，因为有另外的解决方案。只需要在机架层提供双电源输入备份和电源模块冗余，并不需要单个电源模块可以支持双电源输入。

　　针对需要决定如何配置MicroTCA 电源系统的读者，希望本文能成为有用的指南。当然文中所述的观点和解决方案并不能被认为是解决问题的最终的唯一选择。系统设计者切记在决定需求时必须随时参考最新的MicroTCA 标准或规范。爱立信希望能继续致力于业界领先的MicroTCA 电源模块的开发，同时承诺随时同我们的客户交流和讨论这个令人兴奋的新架构的设计和商机。