MicroTCA 電源系統設計中必備的要素：性能，成本和可靠性
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MicroTCA 要求電源模塊具有很多重要的功能，包括：
· “或”輸入電源
· 針對輸入電源浪涌保護的熱插拔控制
· 輸入電源濾波
· 電源保持電容
· 48V 到12V 的直流/直流變換（有效載荷電源）
· 輸入到輸入隔離
· 12V 到3.3V 變換（管理電源）
· 輸出電源分配
· 針對多個(gè)AMC 模塊，冷卻模塊和MCH 模塊的熱插拔控制
· 輸出電源的監控和控制
· 輸出電源保護電路
從大型的ATCA 載板到相應的小MicroTCA 電源模塊，其中合并了電源電路和系統級的控制/管理功能，意味著(zhù)對于整個(gè)系統的成功，電源模塊的設計，表現和可靠性起到了關(guān)鍵性的作用。圖6 是一個(gè)框圖，展示了一個(gè)典型的MicroTCA 電源模塊內部的情況。大多數的功能同一個(gè)ATCA 載板的電源系統是相似的，但也有一些區別。
在A(yíng)TCA 架構中，有一個(gè)電源輸入模塊（PEM），在電源被分配到載板之前，這個(gè)模塊提供了一些輸入電源允許和保護功能，包含瞬態(tài)保護和濾波。在MicroTCA 架構中，并沒(méi)有PEM模塊。因此“純”直流輸入電源是直接通過(guò)電源模塊前面板的連接器輸入電源模塊的。這就意味著(zhù)所有PEM模塊的功能必須包含在每個(gè)電源模塊中。ATCA 載板包含有對于－48V 輸入的保險絲。在MicroTCA 中，保險絲被典型地用在電源分配單元中，對于每個(gè)通過(guò)電纜從電源模塊前部供電的支路提供熔絲保險。因而，通常在電源模塊內部并不需要保險絲。另外，前端功能同ATCA 是十分相似的，也有“或”二極管，EMI 濾波，瞬態(tài)電流抑制和保持電容。當ATCA 總是必須包含兩路冗余－48V 輸入時(shí)，MicroTCA 有時(shí)可配置一路輸入，有時(shí)配置兩路冗余輸入。
電源模塊包含了一個(gè)單路的－48V到12V的隔離直流/直流轉換器，這點(diǎn)同ATCA是相似的。但是它的功率段提升到了600瓦。從12V變換到低壓的一個(gè)負載點(diǎn)電源是用來(lái)產(chǎn)生管理部分的電源。另外在A(yíng)MC模塊內部的負載點(diǎn)電源是用來(lái)進(jìn)行12V到低壓的轉換以給有效載荷供電。MicroTCA電源模塊的控制部分叫做“加強的模塊化管理控制器”（EMMC），是用來(lái)監控和管理系統配置的所有AMC卡，冷卻模塊和MCH模塊中的有效載荷和管理部分所需的電源。
圖6 － 典型的MicroTCA 電源模塊內部框圖
更詳盡的描述真正的MicroTCA電源模塊的示意圖如圖7。這個(gè)特定的電源是單寬、全高標準的模塊，外形尺寸為73.5×186.6×28.9毫米。它可支持和管理電源為12個(gè)AMC模塊，2個(gè)冷卻模塊和2個(gè)MCH模塊供電，最多支持32個(gè)電壓通道。
由于從ATCA載板的分布式供電架構轉換成現在使用幾個(gè)（1到4）集中供電的MicroTCA電源模塊，導致了要求更高的電源功率密度，要求一些電源需輸出600瓦。因此，高效的設計對于封裝的考慮和出于對系統可靠性要求的考慮都是至關(guān)重要的。相較于在A(yíng)TCA載板環(huán)境，在MicroTCA環(huán)境中進(jìn)行輸入電源瞬態(tài)抑制，EMI控制和保持電容的設計是很困難的。因為必須符合相同的標準，但功率卻從200瓦提升到了600瓦。滿(mǎn)足控制和管理的需求同樣是有挑戰性的，因為它必須同最多32個(gè)輸出電壓通道接口，還包括了MCH模塊。
上述需求導致選擇和設計好MicroTCA電源模塊成為整個(gè)系統設計成功的關(guān)鍵因素。在下面的章節中我們將詳細介紹一些電源模塊設計的要點(diǎn)是如何幫助確保系統設計成功的。雖然MicroTCA系統也可被用作其它輸入電壓應用，如24V直流或全球范圍交流輸入，但下列討論僅基于最通用的電信－48V輸入電壓情況。
圖7 － MicroTCA 電源模塊例子
5. MicroTCA 電源模塊設計要素
在MicroTCA 的標準中實(shí)際上包含了三層不同程度的要求稱(chēng)謂，就如同我們每天的生活語(yǔ)言一樣，“將”，“應該”，“可以”。也就是說(shuō)，它定義了一層要求含義是必須滿(mǎn)足的，另外兩層要求含義是推薦和指南，保持了一定程度的靈活度。使MicroTCA 系統和元件的集成更適合實(shí)際的應用場(chǎng)合。對于系統設計者來(lái)說(shuō)這個(gè)靈活度是個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因為在大多數情況下系統設計往往在整體性能，可靠性和成本之間進(jìn)行平衡。MicroTCA 電源模塊的設計和規格就是一個(gè)很好的體現這個(gè)靈活性的例子，因為有些情況下電源模塊參數會(huì )不同但仍然滿(mǎn)足MicroTCA 的標準。愛(ài)立信在一些參數方面進(jìn)行了深入的研究，以確定電源模塊的最終性能對其他方面如成本的影響。對于OEM 系統設計者在定義和選擇MicroTCA 電源模塊時(shí)這些信息也是重要的。在本文中討論的設計要點(diǎn)包括保持電容，輸入電壓，冗余和雙輸入備份。
這個(gè)研究的硬件平臺是基于愛(ài)立信開(kāi)發(fā)的355 瓦的MicroTCA 電源模塊，如圖8 所示?；镜囊幐窈蛥等缦卤硭荆?/p>
圖8 － 愛(ài)立信MicroTCA 電源模塊 ROA 117 5078/1
用“成本單位”這個(gè)名詞來(lái)定義成本?；谖覀兊臉訖C在2007 年第二季度時(shí)的成本估算整個(gè)的材料成本（BOM）為400 個(gè)成本單位。如果說(shuō)設計改變導致20 個(gè)成本單位的減少，就意味著(zhù)5％的材料成本的降低。在本文中得出的一些成本方面的結論，雖然使用了相對的成本單位的概念，但對于系統設計者來(lái)說(shuō)在確定電源模塊規格和平衡各方面因素時(shí)可以作為參考。
5.1 保持電容
在典型的MicroTCA電源模塊中使用了相當數量的大個(gè)的電解電容。它的作用是基于MicroTCA強制標準之一所規定的，即當輸入電源短時(shí)中斷時(shí)，如在輸入電壓母線(xiàn)上的短路情況，必須維持模塊運作一段時(shí)間。
在標準中定義了最壞的情況，即輸入電壓最低跌落到5V，維持10毫米，要求電源模塊在這個(gè)期間維持工作。一般來(lái)說(shuō)電源模塊的設計者會(huì )在－48V輸入側，“或”二極管的后級加幾個(gè)保持電容。在正常的輸入電壓恢復之前，儲存在這些電容內的能量可以維持電源模塊的正常工作。
這個(gè)需求規定可以通過(guò)圖9來(lái)理解，這是一個(gè)典型的MicroTCA系統。這個(gè)系統由一個(gè)機柜和兩個(gè)機架組成。每個(gè)機架包含一個(gè)電源模塊，－48V輸入電壓是通過(guò)電纜從電源分配單元（PDU）得到的。如圖所示，假定短路情況發(fā)生在機架1的－48V輸入側，由于在PDU中每個(gè)電路是單路保護的，因此故障路的保險或空氣開(kāi)關(guān)加打開(kāi)以隔離故障側電路同系統的聯(lián)系。但是故障發(fā)生和清除并不是及時(shí)的，在保險啟動(dòng)隔離工作以前有一個(gè)極短的響應周期，在這個(gè)期間短路大電流將把正常的－48V電壓拉低。也就是說(shuō)，機架2的電源模塊將工作在輸入電壓短時(shí)中斷的情況。因此在MicroTCA標準中就規定了電源模塊在最壞情況下，即輸入電壓只有5V，也需工作至少10毫秒。
圖9 － 短路造成的在輸入側電壓跌落
上述規范是為了確保有一個(gè)可靠性的系統。但在某些情況下即使少一些保持時(shí)間，即少一些保持電容，也可以達到同樣的可靠性系統的效果。例如：
· 如果在實(shí)際應用中的機柜只有一個(gè)機架和一個(gè)電源模塊，那上述故障情況就不是對保持時(shí)間的要求了，因為在保險斷開(kāi)后，電源模塊將不工作。在這種情況下，根本不需要保持電容。
· 系統設計者必須了解在PDU單元中器件是如何動(dòng)作來(lái)消除故障的。一般來(lái)說(shuō)保險絲和空氣開(kāi)關(guān)的動(dòng)作并不需要10毫秒。例如，如果設計能確保故障的響應和消除時(shí)間在5毫秒，那就意味著(zhù)保持電容數量可以減半。
· 在規范中假定在故障發(fā)生時(shí)電源模塊是工作在滿(mǎn)載情況下。但在大多數情況下，系統設計會(huì )留有裕量，電源模塊不會(huì )在滿(mǎn)載情況下工作。如果說(shuō)真正應用情況下的最大負載比電源模塊的額定負載要小，那么要求電容的保持時(shí)間也可以相應減少。
· 有些系統設計者采用一種叫“兩步高阻分布方式”（TS-HOD）技術(shù)。應用這種技術(shù)，－48V電纜被預制了一個(gè)阻值。這會(huì )抑制短路電流增大，從而使輸入電壓不會(huì )降低到－40.5V以下，而這個(gè)電壓就在電源模塊正常的工作范圍了。
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