MicroTCA 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必備的要素：性能，成本和可靠性

　　在這個(gè)研究項(xiàng)目中并沒(méi)有重新設(shè)計(jì)這個(gè)變換器以量化體現(xiàn)這個(gè)影響，但通過(guò)對(duì)兩種不同類(lèi)型的愛(ài)立信電源模塊作對(duì)比可以得出一些概念化的結(jié)論。

　　圖15和圖16總結(jié)了兩種電源模塊的一些參數(shù)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(wěn)壓的。這樣可以簡(jiǎn)化控制電路部分的設(shè)計(jì)，但如圖所示輸出電壓會(huì)有跌落。額外的空間節(jié)省可以用來(lái)加強(qiáng)功率部分，從而導(dǎo)致這個(gè)模塊可以輸出380瓦，同時(shí)達(dá)到高效95.3％。這個(gè)模塊并不是為了冗余應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，應(yīng)作為標(biāo)準(zhǔn)的中間母線電源模塊。

                                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(shù)小結(jié)

　　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(dá)正負(fù)2.5％，適合在作為冗余系統(tǒng)應(yīng)用的電源模塊內(nèi)使用。當(dāng)然達(dá)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(jié)論，在冗余系統(tǒng)中使用的電源模塊，其功耗會(huì)比非冗余系統(tǒng)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(zhàn)。

　　當(dāng)新技術(shù)出現(xiàn)后，上述數(shù)字結(jié)果當(dāng)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(nèi)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(dú)特的物理結(jié)構(gòu)決定了它可以通過(guò)對(duì)直流/直流變換進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，以加強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。其他基于在背板上提供－48V母線類(lèi)型的系統(tǒng)往往利用了對(duì)－48V進(jìn)行冗余，但在每個(gè)載板內(nèi)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(nèi)再提供另外一個(gè)直流/直流變換器是不可行的，因?yàn)檫@樣的化系統(tǒng)中的每個(gè)載板都要進(jìn)行這樣的復(fù)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(tǒng)機(jī)架被設(shè)計(jì)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(duì)于任一路－48V源故障，以及系統(tǒng)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(xiàn)，勝于在系統(tǒng)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(jī)會(huì)，在較小的空間和合理的增加成本下，可以使MicroTCA系統(tǒng)成為完全意義上的電源備份系統(tǒng)。需要強(qiáng)調(diào)的是－48V背板備份重要性只是用來(lái)解釋架構(gòu)的不同。真正的系統(tǒng)級(jí)的可靠設(shè)計(jì)絕不能拿這個(gè)例子一個(gè)直流/直流變換器對(duì)應(yīng)一塊板來(lái)作為例子。對(duì)于在MicroTCA進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)的討論有助于澄清可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)如圖17所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)柜和機(jī)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(jī)架的供電。電源模塊支持兩個(gè)輸入，當(dāng)其中一個(gè)電源源故障時(shí)，可以起到冗余的作用，但當(dāng)電源模塊內(nèi)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(tǒng)設(shè)計(jì)者可以決定這是否是可行的設(shè)計(jì)方向，但可以引起爭(zhēng)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，下列的選項(xiàng)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)負(fù)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(duì)第一個(gè)方案中無(wú)法對(duì)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(qū)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(duì)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(duì)于多點(diǎn)故障，它還提供了更多的保護(hù)，實(shí)際上這個(gè)方案對(duì)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(dāng)多點(diǎn)故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，這個(gè)方案也能起到保護(hù)作用。例如在電源分配單元（PDU）同時(shí)有最多三個(gè)保險(xiǎn)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(tǒng)會(huì)需要這樣級(jí)別的備份保護(hù)，但許多MicroTCA的應(yīng)用可能只需要針對(duì)一種故障情況進(jìn)行保護(hù)。

                          圖17 － 雙電源輸入建立

        一般來(lái)說(shuō)應(yīng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者會(huì)針對(duì)特定的應(yīng)用情況來(lái)做出上述的方案選擇。從我們的觀點(diǎn)來(lái)看，許多MicroTCA系統(tǒng)會(huì)采用第二種保護(hù)方式。對(duì)于輸入源故障和直流/直流變換器故障都提供了單一保護(hù)，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(jié)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(tǒng)，一路電源源的故障意味著兩個(gè)電源模塊將下電，會(huì)導(dǎo)致剩下的兩個(gè)電源模塊出現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)者必須在對(duì)于多點(diǎn)故障的保護(hù)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(tǒng)使用了有源器件和12毫歐的前饋電阻進(jìn)行反極性保護(hù)。這個(gè)器件可看作是一個(gè)二極管同輸入電壓側(cè)直接相連（不需要外部的控制）。對(duì)于雙輸入來(lái)進(jìn)行反極性保護(hù)就復(fù)雜多了，需要總共4個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，又必須滿足MicroTCA的規(guī)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(shè)計(jì)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(shù)增加的成本主要體現(xiàn)在另一個(gè)輸入電源連接器。在許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)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(dāng)然可以允許采用MOS管用在雙輸入電源模塊前級(jí)上，因而消除由于二極管而產(chǎn)生的功率損耗。這種實(shí)現(xiàn)方式將需要一個(gè)更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，以確保MOS管在應(yīng)該工作的時(shí)候才導(dǎo)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)滿足反極性保護(hù)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(zhàn)。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(jié)論和小結(jié)

　　在本文中很難對(duì)所有的議題都進(jìn)行深入的闡述，因?yàn)镸icroTCA 電源模塊并不能被看作為單一的實(shí)體，而更應(yīng)被視為整個(gè)系統(tǒng)中的重要部件之一。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況來(lái)做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)決定。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)牢記沒(méi)有一種方案是放之四海皆適用的，下面的一些結(jié)論包含了對(duì)一些通用指南的精華，可能會(huì)有用。圖19 總結(jié)了對(duì)于電源模塊的影響。

                  圖19 － 電源模塊影響小結(jié)

　　· MicroTCA系統(tǒng)是對(duì)ATCA系統(tǒng)的成功的補(bǔ)充，對(duì)于需要小型化，低功率和低成本的系統(tǒng)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(tǒng)的能力，通過(guò)對(duì)直流/直流變換的冗余可以加強(qiáng)它的可靠性。

　　· 隨著客戶需求和技術(shù)的發(fā)展，包括電源模塊在內(nèi)的商用化的MicroTCA部件和系統(tǒng)將面世?？赡艿陌l(fā)展趨勢(shì)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(zhuǎn)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(duì)于一個(gè)成功的，高可靠的MicroTCA系統(tǒng)設(shè)計(jì)又決定性影響

　　· 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn)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(shè)計(jì)，因此電容數(shù)量對(duì)于可靠性的影響也不是問(wèn)題。對(duì)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(yù)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(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)就帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在本文中討論的一種或幾種保持規(guī)格實(shí)現(xiàn)的情況可以幫助減輕這種擔(dān)憂。

　　· 輸入電壓－設(shè)計(jì)一個(gè)可以覆蓋－48V和－60V系統(tǒng)的電源模塊，相對(duì)于只針對(duì)－48V系統(tǒng)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，同時(shí)對(duì)保持電容的數(shù)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(tǒng)含蓋－60V系統(tǒng)可能需要安規(guī)認(rèn)證，當(dāng)然這并不在本文的討論分析范圍之內(nèi)。根據(jù)安全低壓安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（SELV），超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全電壓電源模塊，需要另外的測(cè)試，以及在電源模塊內(nèi)需要更寬的爬電距離設(shè)計(jì)。

　　· 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(dāng)未來(lái)更高集成度的熱插拔半導(dǎo)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。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)試和交互測(cè)試上，尤其是對(duì)于復(fù)雜的冗余的電源模塊系統(tǒng)。從電源模塊角度來(lái)看，提供冗余功能對(duì)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)看是可以滿足這個(gè)需求的，但是導(dǎo)致了降低了功率密度和轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)然，使用冗余的電源模塊架構(gòu)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(tǒng)中并不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，因?yàn)橛辛硗獾慕鉀Q方案。只需要在機(jī)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(duì)需要決定如何配置MicroTCA 電源系統(tǒng)的讀者，希望本文能成為有用的指南。當(dāng)然文中所述的觀點(diǎn)和解決方案并不能被認(rèn)為是解決問(wèn)題的最終的唯一選擇。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者切記在決定需求時(shí)必須隨時(shí)參考最新的MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。愛(ài)立信希望能繼續(xù)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)同我們的客戶交流和討論這個(gè)令人興奮的新架構(gòu)的設(shè)計(jì)和商機(jī)。

　　8. 參考文獻(xiàn)

　　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