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)市場在技術(shù)方面的快速進展，PCI 工業(yè)計算機制造集團 (PICMG?) 開發(fā)出了高級電信計算架構(gòu) (ATCA) 和 MicroTCA (μTCA、uTCA、MTCA 或 mTCA) 開放式標準，該標準現(xiàn)在已被廣泛采用。2005 年 PICMG? 就采用了該標準，其中規(guī)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(tǒng)的開發(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(tǒng)的實施與要求會隨不同的應用以及不同的廠商而有所不同。由于更廣泛地采用了新的開放式標準，從而為系統(tǒng)開發(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發(fā)高度集成的硅芯片解決方案，以便簡化設計并提升性能，同時降低板級空間要求、降低成本并加速產(chǎn)品上市進程。ATCA 及 MicroTCA 標準目前正備受 TEMS、網(wǎng)絡設備提供商、通信系統(tǒng)集成商以及子系統(tǒng)制造商的青睞。

此外，PICMG? 還規(guī)定了一種稱為 AdvancedMC 的規(guī)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(shù)字信號處理器 (DSP)、微處理器、可編程硬盤驅(qū)動、通信組件或任何可用于此類系統(tǒng)的連接組件。事實上，該模塊可集成用戶所需要的所有功能，對于需要高可靠性和擴展性的系統(tǒng)而言，該模塊尤其有用。此外，該模塊還可用來擴展功能或擴展冗余。根據(jù)標準的定義，ATCA 載波卡最多可支持 8 個 AdvancedMC 模塊（請參見圖 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(tǒng)中使用 AdvancedMC 子卡模塊。MicroTCA 專門優(yōu)化用于要求更小外形尺寸和更低成本的系統(tǒng)。在 MicroTCA 中，最多可以將 16 個模塊直接插入背板，整個架構(gòu)所集成的 16 個模塊如下：12 個具備所需功能的 AdvancedMC、2 個 MicroTCA 載波集線器 (MCH) 及 2 個制冷裝置。圖 2 顯示了具有 8 個模塊的 MicroTCA 載波集線器。

圖 2 MicroTCA 模塊

熱插拔功能

PICMG? 標準針對各個 AdvancedMC 模塊的 –48V、12V 主有效負載電源及 3.3V 管理電源軌規(guī)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，而實際的功率輸出限制取決于個別的模塊設計。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(tǒng)的其他部分故障。

在專用系統(tǒng)中，以及在 ATCA 和 MicroTCA 被廣泛采用之前，這些要求依系統(tǒng)而異，并且一般都是針對各個電源軌使用分立熱插拔控制器和 ORing FET 控制器。由于各個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(gòu)來簡化整體解決方案是一大難題。下面將舉例說明該標準如何協(xié)助簡化熱插拔及 ORing 控制。由于 MicroTCA 系統(tǒng)設計旨在容納 12 個 AdvancedMC、2 個 MCH 以及 2 個制冷裝置，因此總共需要 32 個獨立的熱插拔控制器，或具有電流限制的 16 個 12V 熱插拔通道和 16 個 3.3V 熱插拔通道。在冗余系統(tǒng)中，ORing MOSFET 控制系統(tǒng)可用來取代 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(tǒng)另外還需要 16 個 ORing FET 控制器，因此總共需要 64 個集成電路才能發(fā)揮所需的功能。在加入外部熱插拔 MOSFET、ORing 二極管以及用來設定熱插拔控制器的電流限制、定時器、欠壓鎖定和其他參數(shù)的無源組件之后，實施所必備的組件超過 465 個以上，而支持這 16 個插槽所需的組件空間則需要占用 3000 mm2 以上的板級空間。

標準化能夠開發(fā)出簡化的解決方案來控制熱插拔、ORing 控制以及電流限制。在 ATCA/MicroTCA 標準問世以前，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用。為了滿足電路板以及極為不同的工作要求，過去一直都采用一般性的解決方案來滿足系統(tǒng)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(tǒng)給系統(tǒng)設計人員帶來了的巨大挑戰(zhàn)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機方面的挑戰(zhàn)。如圖 3 所示，TPS2359 是一款雙插槽 AdvancedMC 熱插拔控制器，這類器件都是通過一個集成電路進行多個通道的控制和熱插拔功能的。

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

圖 3 TPS2359 雙插槽控制器

通過直接控制各個 PWR 和 MP 通道，TPS2359 可充分利用智能型平臺管理總線 (IPMB) 所需的 I2C 接口，并且可以針對電流限制、故障時間及電源良好閥值調(diào)整等對其進行編程。各個通道都有 6 個可通過 I2C 進行讀取的狀態(tài)位，這些位會指出電源良好、短暫過電流、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(tǒng)得知通道的運行一切正常。I2C 接口增加了系統(tǒng)的靈活性，以構(gòu)建有助于預測系統(tǒng)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，從而進一步簡化了設計流程，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(tǒng)實施，基于 TPS2359 的實施則能夠?qū)岵灏?ORing IC 的數(shù)量從 48 個降低至可管理的 8 個可尋址控制器。集成 3.3V 通道的熱插拔 MOSFET 并使用 I2C 來設定關(guān)鍵參數(shù)有助于將組件的總數(shù)減少一半以上，也就是從必須的 465 個以上的組件數(shù)量減少為總共不到 200 個組件。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滿足 12V 通道對 ±10% 電流限制的要求。其他兼容的解決方案則無法達到如此高的集成度和精度。

總結(jié)

采用 ATCA 和 MicroTCA 標準可以允許我們開發(fā)出簡化的電源接口解決方案。各個特定基礎架構(gòu)下的專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)的開發(fā)。也就是說，一項新技術(shù)必須開發(fā)出多種專用解決方案才能進行部署。采用了 ATCA/MicroTCA 標準之后，即可去除這個障礙，從而快速地部署新技術(shù)。為了達到這個目的，我們開發(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(shù)量和尺寸，從而節(jié)省了寶貴的電路板空間，同時還增加了 ATCA/MicroTCA 標準所設定的準確控制限制。I2C 接口僅需要最低數(shù)量的外部組件，而且能夠增加靈活性和高級系統(tǒng)的管理功能。

作者簡介

John Cummings 現(xiàn)任 TI 熱插拔控制器產(chǎn)品經(jīng)理。Jack 畢業(yè)于美國加州大學伊榮分校 (University of California, Irvine, CA)，獲應用物理學學士學位，主修電子工程。John 擁有 18 項個人專利。

Jack Olson 現(xiàn)任 TI 電源接口部門產(chǎn)品線經(jīng)理，其中包括熱插拔、PoE 和 電源開關(guān)產(chǎn)品。