MicroTCA 電源系統設計中必備的要素：性能，成本和可靠性

　　在這個(gè)研究項目中并沒(méi)有重新設計這個(gè)變換器以量化體現這個(gè)影響，但通過(guò)對兩種不同類(lèi)型的愛(ài)立信電源模塊作對比可以得出一些概念化的結論。

　　圖15和圖16總結了兩種電源模塊的一些參數特性，它們的輸入電壓范圍基本一致，輸出電壓都是12V。它們基本上是同時(shí)代的產(chǎn)品，在效率的功率密度方面基本上是業(yè)界的領(lǐng)先者。它們的形狀和尺寸幾乎是一樣的。PKM4304B模塊只有前饋環(huán)而沒(méi)有反饋環(huán)，因此是半穩壓的。這樣可以簡(jiǎn)化控制電路部分的設計，但如圖所示輸出電壓會(huì )有跌落。額外的空間節省可以用來(lái)加強功率部分，從而導致這個(gè)模塊可以輸出380瓦，同時(shí)達到高效95.3％。這個(gè)模塊并不是為了冗余應用而設計的，應作為標準的中間母線(xiàn)電源模塊。

                                圖15 － 有反饋環(huán)和無(wú)反饋環(huán)的模塊性能比較

                     圖16 － 性能參數小結

　　PKM4213C模塊，物理尺寸是相同的，由于有輸出電壓反饋電路是其輸出精度可達正負2.5％，適合在作為冗余系統應用的電源模塊內使用。當然達到這個(gè)性能也是有代價(jià)的，效率只有93.3％，比PKM4304B模塊低。由此我們可以得出結論，在冗余系統中使用的電源模塊，其功耗會(huì )比非冗余系統使用的電源模塊高。其產(chǎn)品封裝的功率密度將是一個(gè)挑戰。

　　當新技術(shù)出現后，上述數字結果當然會(huì )隨之發(fā)展。但事實(shí)是，需要維持更精確的輸出電壓精度，必然在直流/直流變換器內需要額外的控制電路，這將影響電源的功率密度和效
率。

　　5.4 雙輸入備份

　　事實(shí)上，MicroTCA獨特的物理結構決定了它可以通過(guò)對直流/直流變換進(jìn)行冗余設計，以加強系統的實(shí)用性。其他基于在背板上提供－48V母線(xiàn)類(lèi)型的系統往往利用了對－48V進(jìn)行冗余，但在每個(gè)載板內只有一個(gè)48V到低壓的直流/直流變換器。這個(gè)直流/直流變換器就表示它是一個(gè)沒(méi)有冗余備份的單點(diǎn)故障源。從成本和單板空間角度來(lái)看，在每個(gè)載板內再提供另外一個(gè)直流/直流變換器是不可行的，因為這樣的化系統中的每個(gè)載板都要進(jìn)行這樣的復制。

　　MicroTCA提供了一個(gè)靈巧和有效的方法來(lái)解決這個(gè)難題。通常MicroTCA系統機架被設計成可以放置兩個(gè)電源模塊。如果每一個(gè)電源模塊的輸入來(lái)自于不同的－48V源，這樣電源模塊就很容易進(jìn)入冗余管理模式，這樣對于任一路－48V源故障，以及系統中所有AMC模塊所需的功率變換和控制功能，都有了完整的冗余備份。

　　可以很容易的通過(guò)增加一個(gè)額外的電源模塊來(lái)實(shí)現，勝于在系統中使用多個(gè)直流/直流變換器的方法。這就給了OEM制造商一個(gè)機會(huì )，在較小的空間和合理的增加成本下，可以使MicroTCA系統成為完全意義上的電源備份系統。需要強調的是－48V背板備份重要性只是用來(lái)解釋架構的不同。真正的系統級的可靠設計絕不能拿這個(gè)例子一個(gè)直流/直流變換器對應一塊板來(lái)作為例子。對于在MicroTCA進(jìn)行冗余設計的討論有助于澄清可行的系統設計方案。另外一個(gè)非常重要的要點(diǎn)是能提供電源輸入源冗余并不意味著(zhù)電源模塊必須包含支持電源雙輸入的能力。

　　一個(gè)通用的支持雙電源輸入的系統如圖17所示。在這個(gè)系統中，機柜和機架都支持雙輸入。問(wèn)題是如何利用好這些雙輸入功能。有三種可能性如下：
　　· 一個(gè)帶雙輸入的電源模塊
　　· 兩個(gè)冗余備份的單輸入電源模塊
　　· 兩個(gè)冗余備份的雙輸入電源模塊

　　一個(gè)帶雙輸入的電源模塊－這是一個(gè)非冗余電源模塊的方案，單一電源模塊支持整個(gè)機架的供電。電源模塊支持兩個(gè)輸入，當其中一個(gè)電源源故障時(shí)，可以起到冗余的作用，但當電源模塊內部直流/直流變換器失效時(shí)，就沒(méi)有冗余作用了。也就是說(shuō)，直流/直流變換器成為了單一故障點(diǎn)而沒(méi)有冗余備份。系統設計者可以決定這是否是可行的設計方向，但可以引起爭論的是，電源源的故障率往往低于直流/直流變換器的故障率。如果是這樣的話(huà)，下列的選項就更有吸引力了。

　　兩個(gè)冗余備份的單輸入電源模塊－這是一個(gè)1＋1電源冗余備份的方式。電源源A輸入到一個(gè)電源模塊，電源源B輸入到另一個(gè)電源模塊。兩個(gè)電源模塊都僅有一路電源輸入，而只需要一個(gè)電源模塊就可以對整個(gè)系統負載供電。這樣無(wú)論是直流/直流變換器和輸入電源源都有了冗余備份。這個(gè)解決方案是針對第一個(gè)方案中無(wú)法對直流/直流變換器進(jìn)行冗余的改進(jìn)。

　　兩個(gè)冗余備份的雙輸入電源模塊－這個(gè)解決方案同上述的區別在于，兩路電源源都進(jìn)到了兩個(gè)電源模塊中，同時(shí)要求兩個(gè)電源模塊都有支持雙輸入的能力。和前一個(gè)方案一樣，這個(gè)解決方案對于單個(gè)直流/直流變換器和電源源的故障都進(jìn)行了冗余。對于多點(diǎn)故障，它還提供了更多的保護，實(shí)際上這個(gè)方案對于輸入源的故障提供了1＋3的冗余，電源電模塊的故障提供了1＋1的冗余。當多點(diǎn)故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，這個(gè)方案也能起到保護作用。例如在電源分配單元（PDU）同時(shí)有最多三個(gè)保險絲和電纜故障，或同時(shí)有一路輸入源和一個(gè)直流/直流變換器故障。也許會(huì )有一些系統會(huì )需要這樣級別的備份保護，但許多MicroTCA的應用可能只需要針對一種故障情況進(jìn)行保護。

                          圖17 － 雙電源輸入建立

        一般來(lái)說(shuō)應是系統設計者會(huì )針對特定的應用情況來(lái)做出上述的方案選擇。從我們的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，許多MicroTCA系統會(huì )采用第二種保護方式。對于輸入源故障和直流/直流變換器故障都提供了單一保護，同時(shí)又不需要雙輸入的電源模塊。這個(gè)分析僅僅適用于假定的1＋1電源冗余備份。在其他情況下結論可能就不同了。例如在使用單輸入電源模塊的3＋1備份系統，一路電源源的故障意味著(zhù)兩個(gè)電源模塊將下電，會(huì )導致剩下的兩個(gè)電源模塊出現過(guò)流情況。要求一個(gè)電源模塊提供支持雙輸入功能在成本、效率和尺寸方面的影響在下文中會(huì )涉及。系統設計者必須在對于多點(diǎn)故障的保護和這些因素影響方面做出平衡。

　　如圖18所示是關(guān)于單輸入和雙輸入電源模塊的比較。單輸入系統使用了有源器件和12毫歐的前饋電阻進(jìn)行反極性保護。這個(gè)器件可看作是一個(gè)二極管同輸入電壓側直接相連（不需要外部的控制）。對于雙輸入來(lái)進(jìn)行反極性保護就復雜多了，需要總共4個(gè)二極管來(lái)實(shí)現這個(gè)功能，又必須滿(mǎn)足MicroTCA的規范。兩者之間的功率損耗和效率差別是很大的，雙輸入模塊有10W的二極管損耗而單輸入模塊只有1W。雙輸入模塊的效率將降低2.7％。同時(shí)使用雙輸入電源設計將額外需要750平方毫米的PCB面積，增加12個(gè)成本單位。大多數增加的成本主要體現在另一個(gè)輸入電源連接器。在許多系統設計中，為了提高系統在多點(diǎn)故障的可靠性而采用這種方式同時(shí)又付出這些代價(jià)，將是得不償失的。

　　從技術(shù)角度上講當然可以允許采用MOS管用在雙輸入電源模塊前級上，因而消除由于二極管而產(chǎn)生的功率損耗。這種實(shí)現方式將需要一個(gè)更復雜的控制系統，以確保MOS管在應該工作的時(shí)候才導通。更為重要的是，在需要MOS管不工作時(shí)，它們必須被及時(shí)地關(guān)斷?？梢源_定的是在同時(shí)滿(mǎn)足反極性保護和消除兩路電源輸入交叉影響的情況下使用MOS管是極大的挑戰。因此使用二極管是基本可靠的。

                  圖18 － 單輸入和雙輸入電源模塊

　　6. 結論和小結

　　在本文中很難對所有的議題都進(jìn)行深入的闡述，因為MicroTCA 電源模塊并不能被看作為單一的實(shí)體，而更應被視為整個(gè)系統中的重要部件之一。因此，應該根據實(shí)際的應用情況來(lái)做出相應的設計決定。同時(shí)系統設計者應該對如電源模塊等的重要部件提出需求。本文的目的就是為了讓系統設計者了解這些最終的決定會(huì )影響電源模塊的成本，性能，效率和功率密度，從而做出正確的決定。應牢記沒(méi)有一種方案是放之四海皆適用的，下面的一些結論包含了對一些通用指南的精華，可能會(huì )有用。圖19 總結了對于電源模塊的影響。

                  圖19 － 電源模塊影響小結

　　· MicroTCA系統是對ATCA系統的成功的補充，對于需要小型化，低功率和低成本的系統來(lái)說(shuō)是個(gè)福音。

　　· MicroTCA具備成為高可靠性和冗余電源系統的能力，通過(guò)對直流/直流變換的冗余可以加強它的可靠性。

　　· 隨著(zhù)客戶(hù)需求和技術(shù)的發(fā)展，包括電源模塊在內的商用化的MicroTCA部件和系統將面世?？赡艿陌l(fā)展趨勢包括提高器件集成度，高封裝密度和更低的生產(chǎn)成本和價(jià)格

　　· 由于包含了電源匹配，功率轉換和控制功能，因此電源模塊作為一個(gè)非常重要的部件對于一個(gè)成功的，高可靠的MicroTCA系統設計又決定性影響

　　· 系統設計的決定可以影響到MicroTCA電源模塊的性能、效率、尺寸和成本

　　· 保持電容－為了實(shí)現10毫秒保持時(shí)間而增加的2個(gè)成本單位并不是主要的不利因素。這些電容會(huì )選用高可靠性低故障類(lèi)的電容，還會(huì )在降額上采用保守設計，因此電容數量對于可靠性的影響也不是問(wèn)題。對于電源模塊主要的影響是需額外的PCB面積來(lái)放置保持功能單元電路，在355瓦電源模塊中將要占到10％的PCB面積。如果預見(jiàn)到未來(lái)開(kāi)發(fā)的單寬全高的600瓦電源模塊，需要增加保持功能單元電路的PCB面積，那對電源模塊的設計就帶來(lái)了挑戰。在本文中討論的一種或幾種保持規格實(shí)現的情況可以幫助減輕這種擔憂(yōu)。

　　· 輸入電壓－設計一個(gè)可以覆蓋－48V和－60V系統的電源模塊，相對于只針對－48V系統的電源模塊，并沒(méi)有在性能或成本上帶來(lái)影響。只會(huì )輕微改變效率曲線(xiàn)，同時(shí)對保持電容的數量和耐壓值有影響。也許這會(huì )帶來(lái)另外的影響，也就是系統含蓋－60V系統可能需要安規認證，當然這并不在本文的討論分析范圍之內。根據安全低壓安規標準（SELV），超過(guò)標準規定的安全電壓電源模塊，需要另外的測試，以及在電源模塊內需要更寬的爬電距離設計。

　　· 冗余－提供冗余電源模塊功能將增加大約10個(gè)成本單位。當未來(lái)更高集成度的熱插拔半導體解決方案面世時(shí)，這個(gè)成本和PCB占板面積增加的情況會(huì )有所改觀(guān)。對于系統設計者來(lái)說(shuō)，最大的并沒(méi)有減少的成本，恰恰是在軟件開(kāi)發(fā)，性能測試和交互測試上，尤其是對于復雜的冗余的電源模塊系統。從電源模塊角度來(lái)看，提供冗余功能對于電源模塊來(lái)說(shuō)最大的影響在直流/直流變換器需要更窄的輸出電壓精度范圍。從今天的技術(shù)水平來(lái)看是可以滿(mǎn)足這個(gè)需求的，但是導致了降低了功率密度和轉換效率。當然，使用冗余的電源模塊架構需要增加至少一個(gè)額外的電源模塊成本。

　　· 雙輸入－從研究的這四方面來(lái)講，也許這個(gè)的影響是最大的。在一個(gè)電源模塊中增加雙輸入的功能將增加大約12個(gè)成本單位和9瓦的額外損耗，降低效率。在許多MicroTCA系統中并不會(huì )出現這樣的情況，因為有另外的解決方案。只需要在機架層提供雙電源輸入備份和電源模塊冗余，并不需要單個(gè)電源模塊可以支持雙電源輸入。

　　針對需要決定如何配置MicroTCA 電源系統的讀者，希望本文能成為有用的指南。當然文中所述的觀(guān)點(diǎn)和解決方案并不能被認為是解決問(wèn)題的最終的唯一選擇。系統設計者切記在決定需求時(shí)必須隨時(shí)參考最新的MicroTCA 標準或規范。愛(ài)立信希望能繼續致力于業(yè)界領(lǐng)先的MicroTCA 電源模塊的開(kāi)發(fā)，同時(shí)承諾隨時(shí)同我們的客戶(hù)交流和討論這個(gè)令人興奮的新架構的設計和商機。

　　8. 參考文獻

　　1. AdvancedMC base specification R2.0, PICMG, 15 November 2006

　　2. AdvancedTCA base specification R2.0 ECN001 & ECN002, PICMG, 26 May 2006

　　3. MicroTCA base specification R1.0, PICMG, 6 July 2006