| MicroTCA电源系统设计中必备的要素 |
2008-7-10 8:10:23 来源:慧聪网
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这篇技术文章可作为对于MicroTCA电源系统的通用指南，适合那些对于电源系统设计有全面了解但初次接触MicroTCA系统标准的工程师。它也适合那些已开始设计MicroTCA系统但想要详细了解电源系统设计和如何选择电源模块设计的工程师。 目录 1.介绍 2.历史回顾 3.架构分析 3.1AdvancedTCA 3.2MicroTCA 4.MicroTCA电源模块概览 5.MicroTCA电源模块设计要素 5.1保持电容 5.2输入电压 5.3冗余 5.4双输入备份 6.结论和小结 7.术语表 8.参考文献 1.介绍 在当今信息和通行技术设备领域中，MicroTCA还是一个全新的架构。虽然它是从ATCA的架构中演化而来，但无论从产品和应用领域来讲，还是有所不同的。本文在简单阐述了两者发展的历史背景和关系之后，着重介绍了MicroTCA的供电架构以及电源模块的重要性。尤其是在MicroTCA电源模块内设计要素对于整个系统中必须考虑的关于性能、成本和可靠性因素的影响。本文内容对于OEM厂家或准备采用MicroTCA架构的使用者来说是有意义的，因为MicroTCA标准和规范中本身就包含了一些对于电源模块要求的强制要求，如功能，接口，热设计和机械设计等。同时对于电源模块厂家来说，也提出了MicroTCA电源模块设计的几个关键点供进一步讨论。总之，由电源厂家自身或由满足客户需求决定的设计方案最终会影响系统的整体性能。 这篇技术文章可作为对于MicroTCA电源系统的通用指南，适合那些对于电源系统设计有全面了解但初次接触MicroTCA系统标准的工程师。它也适合那些已开始设计MicroTCA系统但想要详细了解电源系统设计和如何选择电源模块设计的工程师。当然读者在确定设计方案之前，必须参考根据最新的市场动态需求而最新发布的MicroTCA的规范。文中的内容只代表我们的观点，当然也会有另外可行的方案存在。 2.历史回顾 MicroTCA标准是由PICMG组织在2006年7月批准生效的，应用在信息和通信技术设备下一代开放式的设备平台架构。它基本来源于早期的ATCA和AMC架构和技术，但又进行和系统设计优化和改进以适应更低功率要求的设备应用，如CPE和边缘，接入层的设备。ATCA的标准早在2002年就存在了。ATCA的载板采用分布式的供电架构，输入电压为-48V，在板的内部包含了功率控制和转换以及部分的二次电压变换。其他的二次电压变换是在AMC板卡内部实现的，而AMC板卡又是插装在ATCA载板上的。一个ATCA系统机架中包含了一些载板。如在13U高19英寸机架中最多可插14块载板，而符合ETSI标准的600毫米宽机架中可插16块载板。 在MicroTCA中，所有的负载实际就是AMC板卡。对于已使用ATCA架构的用户来说，采用AMC板卡作为两种不同架构设备的通用中间介质，可以有效降低开发成本。单从AMC板卡本身可生产性和成本角度考虑，经济利益也是可观的。由于不用再开发单独应用在MicroTCA架构的AMC板卡，减少了模块的种类，对于加快产品推向市场的时间以及将来减少备件成本都有积极意义。在MicroTCA系统中最关键的是电源模块，由于并不在需要ATCA架构中的载板，因此MicroTCA电源模块承担了功率变换和控制的功能。MicroTCA系统也可以安装在19英寸系统中，最大可支持6U高大系统，也可以是小系统。 图1表示了两种系统。AMC模块是两种系统中的通用模块，在MicroTCA系统中它将被直接插装在背板上，在ATCA系统中它将被插装在载板上，而载板是插在ATCA系统的背板上。在下节内容中将分别对两种架构的相同点和不同点进行阐述，以加深理解。 3.架构分析 下述内容提供了对于ATCA和MicroTCA两种系统关于架构和电源分配的基本介绍。实际的系统规范应随时参照最新发布的更详细的信息。 3.1AdvancedTCA 图2显示了ATCA系统的典型电源架构。有些电源变换是在单独的载板之前发生的，如交流/直流变换和电池备份一般在集中供电的地方完成。－48V电源功率被分配到单独的ATCA机架。在每一层机架，电源输入模块（PEM）用来提供滤波和瞬态抑制。然后单独且备份的－48V将联接到机架背板，背板是作为机架层的电源分配和每一个载板内的功率变换的接口。 在每一个载板内提供了保险，“或”二极管，瞬态电流抑制，滤波，保持电容和对于－48V输入电压的检测。在每块载板中都可看作为一个可靠的小电源系统，就如同读者熟知的中间母线架构系统（IBA）。主要的隔离直流/直流变换器一般选择输出电压为12V，一方面12V输出中间母线电压模块在市场上是成熟的，另一方面AMC模块本身也需要12V电压作为输入。根据ATCA规范，每一块载板的功耗在200W以下。 在ATCA规范中，负载功率被称为“有效载荷”。在载板中包含直接安装在PCB板上的有效载荷电路，可以通过一个或多个负载点电源（POL）把12V的中间母线电压转换到有效载荷需要的低电压。另一个选项是把一个或多个AMC模块安装在载板上。这些AMC模块需要12V作为输入电压。然后在AMC模块内部进行负载点电源的电压变换。 另外一个对于每一块载板都必须有的功能就是电源控制，每一块载板所包含的智能平台管理控制器（IPMC）就是实现这个功能。在规格中要求载板作为使用控制电路最大功率10W，同时控制电路要求承担同机架层管理进行通信，明确电源启动的先后顺序。要满足这个需求，可以使用一个隔离的3.3V输出的直流/直流变换器在每个载板中，对智能平台管理控制器供电，也可以作为每个AMC模块的管理器件部分的供电。通过这种方式，在IPMC启动这个载板的有效载荷之前，AMC板卡的管理器件部分已得到了供电。另外，载板电源控制部分对于每个AMC板卡必须包含电压监控，电流限流，时序和热插拔控制功能。 因此每个载板运行需要高性能的电源许可条件和控制功能，主要针对输入电源部分以及存在于载板或AMC模块中的有效载荷电源部分。这个高性能的载板功能如图3所示。载板是水平架构280毫米深以及322毫米高。在例子中，包含了从－48V的直流/直流变换到中间母线电压，然后作为两个AMC模块的输入。这个母线电压也可以作为载板上负载点调整器的输入电压。 3.2MicroTCA MicroTCA应被看作为ATCA系统的完善而不是替代。MicroTCA在特定的应用市场有它的优点。对于那些并不需要大功率以及低端应用设备来说，比如边际网，接入和CPE设备，MicroTCA是有吸引力的，主要优点是更小的结构尺寸和更低的硬件成本。虽然体积更小以及成本更低，但对于MicroTCA系统的典型可靠性要求同那些使用ATCA架构的设备是一样的。一些基本的功能要求，如电源许可条件和控制也是必须的。在两种架构之间主要的不同点之一是电源系统集中和物理配置的程度不同。 在ATCA架构中，所有的电源转换功能存在于每个载板中。同时有效载荷电路可以灵活地配置在AMC模块和载板PCB或两者兼而有之。而MicroTCA架构则简化为要求所有的有效载荷都存在在AMC模块中，而集中所有的主要电源转换和控制在由一个或多个MicroTCA电源模块组成的子系统中。整体的MicroTCA系统图如图4所示。一个完整的MicroTCA系统规格如下：“一个最小的MicroTCA系统包含至少一个AMC模块，至少一个MicroTCA网络集线器载板（MCH），交互联接，电源，冷却模块以及支持的机械结构。”如图所示的系统支持最多12块包含有效载荷电路的AMC模块，每个AMC模块需要特定的从20到80瓦之间的有效载荷功率。按照MicroTCA规范规定：“不同的功能单元支持完成系统不同的功能。例如AMC模块需能安装在MicroTCA机架上，包含CPU，DSP器件，处理器，存储器，以及不同种类的AMC模块I/O接口（包括金属和光器件，无线射频器件，以及同其他盒式设备的接口）。”MCH模块提供了对于所有的AMC模块的交互控制功能。另一个备份的MCH模块经常用于高有效性要求的系统。同样的，有时也会使用另一个备份的冷却系统。背板是用来作为所有这些元件的交互联接的机械平台。而电源模块是整个MicroTCA系统的非常关键的部件。它用来作为对所有子系统模块的集中供电，功率变换和控制。一般来说在一个简单的MicroTCA系统中会使用一到四个电源模块。使用超过一个以上的电源模块要么是满足电源功率icroTCA电源系统设计中必备的要素"width="500"src="http://image.c114.net/080610.26(1).jpg"/> MicroTCA的规范提供了非常清晰的对于使用电源模块的目的和功能描述：“MicroTCA电源模块实现从输入电压到12V电压变换，给每个AMC模块提供有效载荷电源。AMC模块所需的3.3V管理电源同样由电源子系统提供。电源模块的电源控制逻辑表现为时序控制，保护和隔离功能。电源子系统是由载板管理器所控制的，它确保在每个电源通道使能之前有足够的电源功率去驱动。”“电源模块同样包含了必要的监控功能以管理电源子系统。它们有检测AMC，MCH和冷却模块存在，以及给每个电源分支上电的电路。电源模块还要监控每一支路的电源质量并确保它们不过载。如果配置了一个冗余电源模块，当主电源模块失效时，冗余电源模块将自动担负起其的供电备份功能。”电源模块需担负起最多为12个AMC模块的有效载荷和管理部分器件供电，还要能为最多2个冷却模块和两个MCH模块供电。因而，许多电源模块被设计为能最多支持16路电源通道，或当有效载荷和管理部分电源分开时最多支持32路通道。 很明显的是许多功能被集成到了电源模块中，因而它当然成为MicroTCA系统中最重要的单元之一。相较于把电源模块只是简单看成小封装的，存在于ATCA载板中的电源元件，它其实包含了更多电源和控制功能。显而易见，电源模块的设计会极大地影响整个系统地效率和可靠性。 在本文的余下内容将重点介绍电源模块的情况。首先描述了所有的功能和分，然后是一些重要的设计细节讨论。图5展示了电源模块是如何在MicroTCA机架中集成的。系统中有两个电源模块，它们分别位于首层机架的左边和右边。直流电源输入是在前面板通过连接器连接到电源模块的，12V和3.3V输出电源是在电源模块后部同MicroTCA背板相联接的。 4.MicroTCA电源模块概览 MicroTCA要求电源模块具有很多重要的功能，包括： 路“或”输入电源 路针对输入电源浪涌保护的热插拔控制 路输入电源滤波 路电源保持电容 路48V到12V的直流/直流变换（有效载荷电源） 路输入到输入隔离 路12V到3.3V变换（管理电源） 路输出电源分配 路针对多个AMC模块，冷却模块和MCH模块的热插拔控制 路输出电源的监控和控制 路输出电源保护电路 从大型的ATCA载板到相应的小MicroTCA电源模块，其中合并了电源电路和系统级的控制/管理功能，意味着对于整个系统的成功，电源模块的设计，表现和可靠性起到了关键性的作用。图6是一个框图，展示了一个典型的MicroTCA电源模块内部的情况。大多数的功能同一个ATCA载板的电源系统是相似的，但也有一些区别。 在ATCA架构中，有一个电源输入模块（PEM），在电源被分配到载板之前，这个模块提供了一些输入电源允许和保护功能，包含瞬态保护和滤波。在MicroTCA架构中，并没有PEM模块。因此“纯”直流输入电源是直接通过电源模块前面板的连接器输入电源模块的。这就意味着所有PEM模块的功能必须包含在每个电源模块中。ATCA载板包含有对于－48V输入的保险丝。在MicroTCA中，保险丝被典型地用在电源分配单元中，对于每个通过电缆从电源模块前部供电的支路提供熔丝保险。因而，通常在电源模块内部并不需要保险丝。另外，前端功能同ATCA是十分相似的，也有“或”二极管，EMI滤波，瞬态电流抑制和保持电容。当ATCA总是必须包含两路冗余－48V输入时，MicroTCA有时可配置一路输入，有时配置两路冗余输入。 电源模块包含了一个单路的－48V到12V的隔离直流/直流转换器，这点同ATCA是相似的。但是它的功率段提升到了600瓦。从12V变换到低压的一个负载点电源是用来产生管理部分的电源。另外在AMC模块内部的负载点电源是用来进行12V到低压的转换以给有效载荷供电。MicroTCA电源模块的控制部分叫做“加强的模块化管理控制器”（EMMC），是用来监控和管理系统配置的所有AMC卡，冷却模块和MCH模块中的有效载荷和管理部分所需的电源。 更详尽的描述真正的MicroTCA电源模块的示意图如图7。这个特定的电源是单宽、全高标准的模块，外形尺寸为73.5×186.6×28.9毫米。它可支持和管理电源为12个AMC模块，2个冷却模块和2个MCH模块供电，最多支持32个电压通道。 由于从ATCA载板的分布式供电架构转换成现在使用几个（1到4）集中供电的MicroTCA电源模块，导致了要求更高的电源功率密度，要求一些电源需输出600瓦。因此，高效的设计对于封装的考虑和出于对系统可靠性要求的考虑都是至关重要的。相较于在ATCA载板环境，在MicroTCA环境中进行输入电源瞬态抑制，EMI控制和保持电容的设计是很困难的。因为必须符合相同的标准，但功率却从200瓦提升到了600瓦。满足控制和管理的需求同样是有挑战性的，因为它必须同最多32个输出电压通道接口，还包括了MCH模块。 上述需求导致选择和设计好MicroTCA电源模块成为整个系统设计成功的关键因素。在下面的章节中我们将详细介绍一些电源模块设计的要点是如何帮助确保系统设计成功的。虽然MicroTCA系统也可被用作其它输入电压应用，如24V直流或全球范围交流输入，但下列讨论仅基于最通用的电信－48V输入电压情况。 5.MicroTCA电源模块设计要素 在MicroTCA的标准中实际上包含了三层不同程度的要求称谓，就如同我们每天的生活语言一样，“将”，“应该”，“可以”。也就是说，它定义了一层要求含义是必须满足的，另外两层要求含义是推荐和指南，保持了一定程度的灵活度。使MicroTCA系统和元件的集成更适合实际的应用场合。对于系统设计者来说这个灵活度是个优点，因为在大多数情况下系统设计往往在整体性能，可靠性和成本之间进行平衡。MicroTCA电源模块的设计和规格就是一个很好的体现这个灵活性的例子，因为有些情况下电源模块参数会不同但仍然满足MicroTCA的标准。爱立信在一些参数方面进行了深入的研究，以确定电源模块的最终性能对其他方面如成本的影响。对于OEM系统设计者在定义和选择MicroTCA电源模块时这些信息也是重要的。在本文中讨论的设计要点包括保持电容，输入电压，冗余和双输入备份。 这个研究的硬件平台是基于爱立信开发的355瓦的MicroTCA电源模块，如图8所示。基本的规格和参数如下表所示： 用“成本单位”这个名词来定义成本。基于我们的样机在2007年第二季度时的成本估算整个的材料成本（BOM）为400个成本单位。如果说设计改变导致20个成本单位的减少，就意味着5％的材料成本的降低。在本文中得出的一些成本方面的结论，虽然使用了相对的成本单位的概念，但对于系统设计者来说在确定电源模块规格和平衡各方面因素时可以作为参考。 5.1保持电容 在典型的MicroTCA电源模块中使用了相当数量的大个的电解电容。它的作用是基于MicroTCA强制标准之一所规定的，即当输入电源短时中断时，如在输入电压母线上的短路情况，必须维持模块运作一段时间。 在标准中定义了最坏的情况，即输入电压最低跌落到5V，维持10毫米，要求电源模块在这个期间维持工作。一般来说电源模块的设计者会在－48V输入侧，“或”二极管的后级加几个保持电容。在正常的输入电压恢复之前，储存在这些电容内的能量可以维持电源模块的正常工作。 这个需求规定可以通过图9来理解，这是一个典型的MicroTCA系统。这个系统由一个机柜和两个机架组成。每个机架包含一个电源模块，－48V输入电压是通过电缆从??情况发生在机架1的－48V输入侧，由于在PDU中每个电路是单路保护的，因此故障路的保险或空气开关加打开以隔离故障侧电路同系统的联系。但是故障发生和清除并不是及时的，在保险启动隔离工作以前有一个极短的响应周期，在这个期间短路大电流将把正常的－48V电压拉低。也就是说，机架2的电源模块将工作在输入电压短时中断的情况。因此在MicroTCA标准中就规定了电源模块在最坏情况下，即输入电压只有5V，也需工作至少10毫秒。 上述规范是为了确保有一个可靠性的系统。但在某些情况下即使少一些保持时间，即少一些保持电容，也可以达到同样的可靠性系统的效果。例如： 路如果在实际应用中的机柜只有一个机架和一个电源模块，那上述故障情况就不是对保持时间的要求了，因为在保险断开后，电源模块将不工作。在这种情况下，根本不需要保持电容。 路系统设计者必须了解在PDU单元中器件是如何动作来消除故障的。一般来说保险丝和空气开关的动作并不需要10毫秒。例如，如果设计能确保故障的响应和消除时间在5毫秒，那就意味着保持电容数量可以减半。 路在规范中假定在故障发生时电源模块是工作在满载情况下。但在大多数情况下，系统设计会留有裕量，电源模块不会在满载情况下工作。如果说真正应用情况下的最大负载比电源模块的额定负载要小，那么要求电容的保持时间也可以相应减少。 路有些系统设计者采用一种叫“两步高阻分布方式”（TS-HOD）技术。应用这种技术，－48V电缆被预制了一个阻值。这会抑制短路电流增大，从而使输入电压不会降低到－40.5V以下，而这个电压就在电源模块正常的工作范围了。 这些例子表明了在不影响系统性能和可靠性的前提下保持电容是可以被减少的。注意，这完全取决于系统设计者对于实际应用情况的知识和了解。当他了解了实际情况之后，系统设计者会同电源模块厂家来讨论和定义合适的保持时间。 对于满足保持时间规范的成本影响又是如何呢？在本项目研究中电源模块是工作在正常-48V系统带电池备份的电压下，即－54V，维持满载情况下的10毫秒工作。在电源模块中使用的电容是Nichicon63VLS系列电解电容。占板面积为1100平方毫米，大约是整个PCB板的10％。保持电容的成本大概是2个成本单位。使用较少的保持电容对于成本降低贡献较少，但对于减少器件的占板面积有正面作用。后者的优点对于板上其他器件的设计摆放是有好处的。 另一个设计思路是并没有被验证过的，即在电源模块的前级增加另外的电压BOOST电路。这个BOOST电路可以使电容充电到一个较高的电压，如－72V。这样就必须选用高耐压值的电容，同时可以减少电容的数量，因为储存的能量同电容值电压的平方是成比例的。另外，需要设计额外的BOOST电路 5.2输入电压 另一个必须被系统设计者定义的因素是输入电压范围。一个通用的原则是，要求的输入电压范围越窄，那电源模块在性能，效率和成本方面的表现就越优。大多数情况下，对于电压范围在－40.5V到-57V之间的电信－48V系统，额定值在－54V。有些系统要求输入电压范围应用在并不常用的－60V电信电源系统，因而要求输入电压范围在－50V到－72V之间。在我们的研究中，我们对于仅仅用在－48V系统，或要求含盖－48V和-60V系统的情况，从能和成本方面进行了分析。 输入和保持电容当然必须工作在更高的输入电压，充电电压范围从63V到80V。高耐压值电容意味着低容积率，因此在电源模块内需要额外的容量和PCB面积。当工作在－60V系统时，保持电容的数量是会减少的，因为更多的能量储存在高容值的电容中。但是既然研究分析是基于同时工作在－60V和-48V电源系统，就必须考虑最坏的情况。值得注意的是计算是基于80V电容，因此考虑设计裕量就必须选100V。 我们的研究结果如图10所示。在表格中40.5－57V这一列的数据表示上文所述的基本设计。当电容改到80V耐压值以适应－60V系统要求时，PCB面积和成本增加的情况在右列所示。另外需要大雪550平方毫米的PCB面积，同时电源模块的成本大约增加0.5个成本单位。如果使用了前文所述的BOOST升压电路，则这个分析结果是不适用的。 我们同样研究了最大输入电压对于电源模块效率的影响。我们主要是测量了主要的48V到12V直流/直流变换器的效率。通常来说，低的输入电压意味着主开关管的额定电压可降低，这样阻抗和功耗会减少。拿PKM4304BPI隔离直流/直流变换器为例，主开关管采用了100V的管子以适应－48V和－60V电源系统。如果在同样的供应商和产品线中选择60V的管子来替代100V的管子，这样这个模块只能支持－48V系统。使用60V的管子阻抗可降低2.5毫欧，则当电源模块满载时降低了0.3瓦的功耗。结果如图11所示。 采用了60V的管子后，在满载时确实有功耗的降低，但是相对来说还是较小的。同时当在半载以下的情况，使用60V的管子后效率反而降低了。效率曲线的外形改变主要由于电压等级的不同，在这个电压等级上低耐压值开关管开关特性胜于实际的直流阻抗。如果再花费一些精力优化一下使用60V器件的电路，结果可能会不同。虽然如此，我们并不能得出结论，使用这个特定的器件在更宽的覆盖－48V和－60V输入电压的情况下会对效率有负面影响。 5.3冗余 在MicroTCA规范中规定了在特定的应用场合，系统必须提供冗余的电源模块以提高系统的可靠性。非常重要指出的是，作为冗余备份作用的电源模块自然就比作为独自工作的电源模块更复杂和成本更高。对于那些不熟悉的人来说，首先介绍了对于MicroTCA有效载荷和管理电源通道进行电源备份的好处。然后将讨论受冗余决定，有效载荷电源通道控制和直流/直流变换器性能影响的电源模块设计思路。目的是让OEM设计者了解尺寸，效率和成本对于冗余电源模块的影响，确保当冗余功能是必须的时才会去设计它。当在不需要较高可靠性要求的系统时，不使用冗余模块当然是可以接受的。 一个2＋1备份的MicroTCA电源模块系统例子如图12所示。在这个系统中，两个电源模块用来对总共16路输出通道的有效载荷和管理供电。另外第三个电源模块在正常情况下处于待机状态，只有任一个模块的任一通道发生故障时，它才工作。在MicroTCA规范中有非常详尽的关于完成电源模块冗余的要求。并不会使用电源并联和均流技术，在任何情况下只有一个电源模块给一个通道供电。如图系统所示。电源模块1只为1到8通道供电，电源模块2只为9到16通道供电。冗余电源模块3会给任一个通道供电，但只有在其中一个主电源模块故障或下电。这个架构的建立使每个通道的可能过流电流被限制住了。如果两个电源模块并联，则短路电流就可以加倍，从而导致系统背板和连接器由于过流而损坏。 PKM4213C模块，物理尺寸是相同的，由于有输出电压反馈电路是其输出精度可达正负2.5％，适合在作为冗余系统应用的电源模块内使用。当然达到这个性能也是有代价的，效率只有93.3％，比PKM4304B模块低。由此我们可以得出结论，在冗余系统中使用的电源模块，其功耗会比非冗余系统使用的电源模块高。其产品封装的功率密度将是一个挑战。 当新技术出现后，上述数字结果当然会随之发展。但事实是，需要维持更精确的输出电压精度，必然在直流/直流变换器内需要额外的控制电路，这将影响电源的功率密度和效率。 5.4双输入备份 事实上，MicroTCA独特的物理结构决定了它可以通过对直流/直流变换进行冗余设计，以加强系统的实用性。其他基于在背板上提供－48V母线类型的系统往往利用了对－48V进行冗余，但在每个载板内只有一个48V到低压的直流/直流变换器。这个直流/直流变换器就表示它是一个没有冗余备份的单点故障源。从成本和单板空间角度来看，在每个载板内再提供另外一个直流/直流变换器是不可行的，因为这样的化系统中的每个载板都要进行这样的复制。 MicroTCA提供了一个灵巧和有效的方法来解决这个难题。通常MicroTCA系统机架被设计成可以放置两个电源模块。如果每一个电源模块的输入来自于不同的－48V源，这样电源模块就很容易进入冗余管理模式，这样对于任一路－48V源故障，以及系统中所有AMC模块所需的功率变换和控制功能，都有了完整的冗余备份。 可以很容易的通过增加一个额外的电源模块来实现，胜于在系统中使用多个直流/直流变换器的方法。这就给了OEM制造商一个机会，在较小的空间和合理的增加成本下，可以使MicroTCA系统成为完全意义上的电源备份系统。需要强调的是－48V背板备份重要性只是用来解释架构的不同。真正的系统级的可靠设计绝不能拿这个例子一个直流/直流变换器对应一块板来作为例子。对于在MicroTCA进行冗余设计的讨论有助于澄清可行的系统设计方案。另外一个非常重要的要点是能提供电源输入源冗余并不意味着电源模块必须包含支持电源双输入的能力。 一个通用的支持双电源输入的系统如图17所示。在这个系统中，机柜和机架都支持双输入。问题是如何利用好这些双输入功能。有三种可能性如下： 路一个带双输入的电源模块 路两个冗余备份的单输入电源模块 路两个冗余备份的双输入电源模块 一个带双输入的电源模块－这是一个非冗余电源模块的方案，单一电源模块支持整个机架的供电。电源模块支持两个输入，当其中一个电源源故障时，可以起到冗余的作用，但当电源模块内部直流/直流变换器失效时，就没有冗余作用了。也就是说，直流/直流变换器成为了单一故障点而没有冗余备份。系统设计者可以决定这是否是可行的设计方向，但可以引起争论的是，电源源的故障率往往低于直流/直流变换器的故障率。如果是这样的话，下列的选项就更有吸引力了。 两个冗余备份的单输入电源模块－这是一个1＋1电源冗余备份的方式。电源源A输入到一个电源模块，电源源B输入到另一个电源模块。两个电源模块都仅有一路电源输入，而只需要一个电源模块就可以对整个系统负载供电。这样无论是直流/直流变换器和输入电源源都有了冗余备份。这个解决方案是针对第一个方案中无法对直流/直流变换器进行冗余的改进。 两个冗余备份的双输入电源模块－这个解决方案同上述的区别在于，两路电源源都进到了两个电源模块中，同时要求两个??样，这个解决方案对于单个直流/直流变换器和电源源的故障都进行了冗余。对于多点故障，它还提供了更多的保护，实际上这个方案对于输入源的故障提供了1＋3的冗余，电源电模块的故障提供了1＋1的冗余。当多点故障同时发生时，这个方案也能起到保护作用。例如在电源分配单元（PDU）同时有最多三个保险丝和电缆故障，或同时有一路输入源和一个直流/直流变换器故障。也许会有一些系统会需要这样级别的备份保护，但许多MicroTCA的应用可能只需要针对一种故障情况进行保护。 6.结论和小结 在本文中很难对所有的议题都进行深入的阐述，因为MicroTCA电源模块并不能被看作为单一的实体，而更应被视为整个系统中的重要部件之一。因此，应该根据实际的应用情况来做出相应的设计决定。同时系统设计者应该对如电源模块等的重要部件提出需求。本文的目的就是为了让系统设计者了解这些最终的决定会影响电源模块的成本，性能，效率和功率密度，从而做出正确的决定。应牢记没有一种方案是放之四海皆适用的，下面的一些结论包含了对一些通用指南的精华，可能会有用。图19总结了对于电源模块的影响。 路MicroTCA系统是对ATCA系统的成功的补充，对于需要小型化，低功率和低成本的系统来说是个福音。 路MicroTCA具备成为高可靠性和冗余电源系统的能力，通过对直流/直流变换的冗余可以加强它的可靠性。 路随着客户需求和技术的发展，包括电源模块在内的商用化的MicroTCA部件和系统将面世。可能的发展趋势包括提高器件集成度，高封装密度和更低的生产成本和价格 路由于包含了电源匹配，功率转换和控制功能，因此电源模块作为一个非常重要的部件对于一个成功的，高可靠的MicroTCA系统设计又决定性影响 路系统设计的决定可以影响到MicroTCA电源模块的性能、效率、尺寸和成本 路保持电容－为了实现10毫秒保持时间而增加的2个成本单位并不是主要的不利因素。这些电容会选用高可靠性低故障类的电容，还会在降额上采用保守设计，因此电容数量对于可靠性的影响也不是问题。对于电源模块主要的影响是需额外的PCB面积来放置保持功能单元电路，在355瓦电源模块中将要占到10％的PCB面积。如果预见到未来开发的单宽全高的600瓦电源模块，需要增加保持功能单元电路的PCB面积，那对电源模块的设计就带来了挑战。在本文中讨论的一种或几种保持规格实现的情况可以帮助减轻这种担忧。 路输入电压－设计一个可以覆盖－48V和－60V系统的电源模块，相对于只针对－48V系统的电源模块，并没有在性能或成本上带来影响。只会轻微改变效率曲线，同时对保持电容的数量和耐压值有影响。也许这会带来另外的影响，也就是系统含盖－60V系统可能需要安规认证，当然这并不在本文的讨论分析范围之内。根据安全低压安规标准（SELV），超过标准规定的安全电压电源模块，需要另外的测试，以及在电源模块内需要更宽的爬电距离设计。 路冗余－提供冗余电源模块功能将增加大约10个成本单位。当未来更高集成度的热插拔半导体解决方案面世时，这个成本和PCB占板面积增加的情况会有所改观。对于系统设计者来说，最大的并没有减少的成本，恰恰是在软件开发，性能测试和交互测试上，尤其是对于复杂的冗余的电源模块系统。从电源模块角度来看，提供冗余功能对于电源模块来说最大的影响在直流/直流变换器需要更窄的输出电压精度范围。从今天的技术水平来看是可以满足这个需求的，但是导致了降低了功率密度和转换效率。当然，使用冗余的电源模块架构需要增加至少一个额外的电源模块成本。 路双输入－从研究的这四方面来讲，也许这个的影响是最大的。在一个电源模块中增加双输入的功能将增加大约12个成本单位和9瓦的额外损耗，降低效率。在许多MicroTCA系统中并不会出现这样的情况，因为有另外的解决方案。只需要在机架层提供双电源输入备份和电源模块冗余，并不需要单个电源模块可以支持双电源输入。 针对需要决定如何配置MicroTCA电源系统的读者，希望本文能成为有用的指南。当然文中所述的观点和解决方案并不能被认为是解决问题的最终的唯一选择。系统设计者切记在决定需求时必须随时参考最新的MicroTCA标准或规范。爱立信希望能继续致力于业界领先的MicroTCA电源模块的开发，同时承诺随时同我们的客户交流和讨论这个令人兴奋的新架构的设计和商机。
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