電源管理：ATCA 和 MicroTCA 標準引發(fā)集成

引言

為了順應計算、通信以及工業(yè)市場(chǎng)在技術(shù)方面的快速進(jìn)展，PCI 工業(yè)計算機制造集團 (PICMG?) 開(kāi)發(fā)出了高級電信計算架構 (ATCA) 和 MicroTCA (μTCA、uTCA、MTCA 或 mTCA) 開(kāi)放式標準，該標準現在已被廣泛采用。2005 年 PICMG? 就采用了該標準，其中規定了關(guān)于機械、機架管理 (shelf management)、配電、散熱以及連接器的要求。

減少舊系統的開(kāi)發(fā)工作并降低成本是催生這些標準的主要原因，因為這些舊系統的實(shí)施與要求會(huì )隨不同的應用以及不同的廠(chǎng)商而有所不同。由于更廣泛地采用了新的開(kāi)放式標準，從而為系統開(kāi)發(fā)商和電信設備制造商 (TEM) 創(chuàng )造了許多商機。一般的標準做法是開(kāi)發(fā)高度集成的硅芯片解決方案，以便簡(jiǎn)化設計并提升性能，同時(shí)降低板級空間要求、降低成本并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。ATCA 及 MicroTCA 標準目前正備受 TEMS、網(wǎng)絡(luò )設備提供商、通信系統集成商以及子系統制造商的青睞。

此外，PICMG? 還規定了一種稱(chēng)為 AdvancedMC 的規范，這是一種夾層子卡模塊，該模塊能夠擴展、新增或升級 ATCA 載波卡的功能。AdvancedMC 模塊可以集成數字信號處理器 (DSP)、微處理器、可編程硬盤(pán)驅動(dòng)、通信組件或任何可用于此類(lèi)系統的連接組件。事實(shí)上，該模塊可集成用戶(hù)所需要的所有功能，對于需要高可靠性和擴展性的系統而言，該模塊尤其有用。此外，該模塊還可用來(lái)擴展功能或擴展冗余。根據標準的定義，ATCA 載波卡最多可支持 8 個(gè) AdvancedMC 模塊（請參見(jiàn)圖 1）。

圖 1 典型的 ATCA 載波卡

MicroTCA 是 PICMG? 補充標準，其允許在分布式系統中使用 AdvancedMC 子卡模塊。MicroTCA 專(zhuān)門(mén)優(yōu)化用于要求更小外形尺寸和更低成本的系統。在 MicroTCA 中，最多可以將 16 個(gè)模塊直接插入背板，整個(gè)架構所集成的 16 個(gè)模塊如下：12 個(gè)具備所需功能的 AdvancedMC、2 個(gè) MicroTCA 載波集線(xiàn)器 (MCH) 及 2 個(gè)制冷裝置。圖 2 顯示了具有 8 個(gè)模塊的 MicroTCA 載波集線(xiàn)器。

圖 2 MicroTCA 模塊

熱插拔功能

PICMG? 標準針對各個(gè) AdvancedMC 模塊的 –48V、12V 主有效負載電源及 3.3V 管理電源軌規定了熱插拔電源管理要求，其中包括浪涌電流限制、電流限制保護以及 ORing 控制。PICMG? 標準將 12V 電源軌定義為最大功率輸出為 80W 的有效負載電源 (PWR) 通道，而實(shí)際的功率輸出限制取決于個(gè)別的模塊設計。3.3V 電源軌則被定義為電流上限為 150mA 的管理電源 (MP) 通道。各個(gè)模塊都需要有電流限制的功能，以避免瑕疵的 AdvancedMC 載波卡造成系統的其他部分故障。

在專(zhuān)用系統中，以及在 ATCA 和 MicroTCA 被廣泛采用之前，這些要求依系統而異，并且一般都是針對各個(gè)電源軌使用分立熱插拔控制器和 ORing FET 控制器。由于各個(gè)解決方案都各不相同，因此要想創(chuàng )建通用的熱插拔控制架構來(lái)簡(jiǎn)化整體解決方案是一大難題。下面將舉例說(shuō)明該標準如何協(xié)助簡(jiǎn)化熱插拔及 ORing 控制。由于 MicroTCA 系統設計旨在容納 12 個(gè) AdvancedMC、2 個(gè) MCH 以及 2 個(gè)制冷裝置，因此總共需要 32 個(gè)獨立的熱插拔控制器，或具有電流限制的 16 個(gè) 12V 熱插拔通道和 16 個(gè) 3.3V 熱插拔通道。在冗余系統中，ORing MOSFET 控制系統可用來(lái)取代 ORing 二極管，以降低高電流 12V 有效負載電源通道的功耗。這些系統另外還需要 16 個(gè) ORing FET 控制器，因此總共需要 64 個(gè)集成電路才能發(fā)揮所需的功能。在加入外部熱插拔 MOSFET、ORing 二極管以及用來(lái)設定熱插拔控制器的電流限制、定時(shí)器、欠壓鎖定和其他參數的無(wú)源組件之后，實(shí)施所必備的組件超過(guò) 465 個(gè)以上，而支持這 16 個(gè)插槽所需的組件空間則需要占用 3000 mm2 以上的板級空間。

標準化能夠開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)化的解決方案來(lái)控制熱插拔、ORing 控制以及電流限制。在 ATCA/MicroTCA 標準問(wèn)世以前，各種要求和工作條件使得集成的熱插拔電源管理器的設計顯得效率低下且不實(shí)用。為了滿(mǎn)足電路板以及極為不同的工作要求，過(guò)去一直都采用一般性的解決方案來(lái)滿(mǎn)足系統要求，以至于犧牲了性能和成本效益。因此，設計這些分立式熱插拔系統給系統設計人員帶來(lái)了的巨大挑戰和壓力。

在迅速地擴大采用 ATCA 及 MicroTCA 之后，設計人員則面臨智能型集成在嚴格的要求與時(shí)機方面的挑戰。如圖 3 所示，TPS2359 是一款雙插槽 AdvancedMC 熱插拔控制器，這類(lèi)器件都是通過(guò)一個(gè)集成電路進(jìn)行多個(gè)通道的控制和熱插拔功能的。

TPS2359 能夠進(jìn)行兩個(gè) AdvancedMC 插槽的全面電源控制，并且完全符合 AdvancedMC 標準。該器件可通過(guò)熱插拔和 ORing FET 控制來(lái)控制 12V PWR 和 MP 兩個(gè)通道。低電流 MP 通道都是通過(guò)集成的 MOSFET 和電流分流進(jìn)行內部處理，而 PWR 通道則使用外部 MOSFET 以實(shí)現最佳的整體系統解決方案。

圖 3 TPS2359 雙插槽控制器

通過(guò)直接控制各個(gè) PWR 和 MP 通道，TPS2359 可充分利用智能型平臺管理總線(xiàn) (IPMB) 所需的 I2C 接口，并且可以針對電流限制、故障時(shí)間及電源良好閥值調整等對其進(jìn)行編程。各個(gè)通道都有 6 個(gè)可通過(guò) I2C 進(jìn)行讀取的狀態(tài)位，這些位會(huì )指出電源良好、短暫過(guò)電流、故障、快速跳變 (fast trip) 、熱插拔 FET 狀態(tài)，以及 ORing FET 狀態(tài)。電源良好、熱插拔及 ORing FET 狀態(tài)能使系統得知通道的運行一切正常。I2C 接口增加了系統的靈活性，以構建有助于預測系統行為及故障的歷史記錄。這種可編程性免去了使用外部組件的麻煩，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設計流程，縮小了解決方案的尺寸并降低了成本。6 x 6 mm 的 36 引腳 QFN 封裝大大降低了所需的板級空間。

相較于前面探討的分立式 16 插槽 MicroTCA 系統實(shí)施，基于 TPS2359 的實(shí)施則能夠將熱插拔/ORing IC 的數量從 48 個(gè)降低至可管理的 8 個(gè)可尋址控制器。集成 3.3V 通道的熱插拔 MOSFET 并使用 I2C 來(lái)設定關(guān)鍵參數有助于將組件的總數減少一半以上，也就是從必須的 465 個(gè)以上的組件數量減少為總共不到 200 個(gè)組件。在所需的物理空間方面，解決方案的尺寸則從 2200 mm2 縮小為 1300 mm2 以下，而且功能更加提升。對于有限的特定 AdvancedMC 電源接口而言，如此高度的集成度還增加了完全符合其要求的優(yōu)勢。為了進(jìn)一步量化這一優(yōu)勢，TPS2359 電流限制電路的精度僅需要使用 1% 的電流容差外部電阻便能夠同時(shí)滿(mǎn)足 12V 通道對 ±10% 電流限制的要求。其他兼容的解決方案則無(wú)法達到如此高的集成度和精度。

總結

采用 ATCA 和 MicroTCA 標準可以允許我們開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)化的電源接口解決方案。各個(gè)特定基礎架構下的專(zhuān)用解決方案具備不同的要求，若不采用 ATCA/MicroTCA，這些要求將阻礙新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。也就是說(shuō)，一項新技術(shù)必須開(kāi)發(fā)出多種專(zhuān)用解決方案才能進(jìn)行部署。采用了 ATCA/MicroTCA 標準之后，即可去除這個(gè)障礙，從而快速地部署新技術(shù)。為了達到這個(gè)目的，我們開(kāi)發(fā)出了與 ATCA/MicroTCA AdvancedMC 完全兼容的雙插槽熱插拔控制器 TPS2359。該控制器降低了組件數量和尺寸，從而節省了寶貴的電路板空間，同時(shí)還增加了 ATCA/MicroTCA 標準所設定的準確控制限制。I2C 接口僅需要最低數量的外部組件，而且能夠增加靈活性和高級系統的管理功能。

作者簡(jiǎn)介

John Cummings 現任 TI 熱插拔控制器產(chǎn)品經(jīng)理。Jack 畢業(yè)于美國加州大學(xué)伊榮分校 (University of California, Irvine, CA)，獲應用物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，主修電子工程。John 擁有 18 項個(gè)人專(zhuān)利。

Jack Olson 現任 TI 電源接口部門(mén)產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理，其中包括熱插拔、PoE 和 電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)品。