多重转换：冗余电源系统电流限制的一种新方法

引言

高级电信计算架构(ATCA)标准提供了一种设计电信设备的模块化方法。该行业标准的采用不但加速了产品设计而且简化了现场升级。

在ATCA构架中，每个Carrier Blade设备都包括多达8个AMC模块，而这些模块均需热插拔保护。载波板为每个AMC模块提供了两个主要电源：一个3.3V管理电源以及一个12V有效负载电源。

为帮助设计人员满足这些要求，TI设计了一款全功能双插槽AMC控制器TPS2359，以提供支持两个AMC模块所必须的所有保护和监控电路。该控制器全面集成了管理电源浪涌控制、过流保护以及FET ORing功能。添加两个外部电源晶体管可为每一个有效负载电源通道提供所有这些相同的功能。图1所示为双通道AMC应用的简化结构图，两个通道由同一个电源供电。也可使用独立电源为这两个通道供电。



该独特的控制器集成了有效负载电源和管理电源通道的精确的电流限制功能。有效负载电源电流限制的每个通道使用三个外部电阻，以满足8.25A±10% ATCA规范。管理电源电流限制的每个通道使用一个外部电阻，以满足195mA±15%的规范。

高精度电流限制

图2所示为该控制器的有效负载电流限制电路的简化结构图。放大器A1通过检测电阻器两端的电压来监控负载电流ILOAD。管理电源通道采用类似的电路，不同的是集成了电阻器RSENSE和RSET。

电流限制电路包括放大器A1和A2。放大器A1使外部电阻器RSET两端的电压与外部电阻器RSENSE两端的电压相等。流经RSET的电流同时也会流经外部电阻器RSUM，从而在SUMA引脚上生成了一个如下式所示的电压：



放大器A2会检测SUMA引脚上的电压。只要该电压保持在675mV以下，放大器就向PASSA提供30μA的电流。当SUMA引脚上的电压超过675mV时，放大器A2开始从PASSA吸收电流。导通FET MPASS的栅-源电压会不断下降，直到放大器A2两个输入端上的电压平衡为止，此时流经该通道的电流为：



取RSENSE=5mΩ和RSUM=6810Ω的典型值，则得出：

ILIMIT = (0.0198A/W)◊RSET

为设置MicroTCA规范所要求的8.25A电流限制，选择RSET=417Ω。最新的EIA标准1%电阻为422Ω。该电阻使系统可以为一个80W AMC模块供电。

有效负载和管理通道都有其自己的可编程默认定时器。只要各自的通道进入电流限制，这些定时器就会开启。如果一个通道处于电流限制状态时间过长且默认定时器超时，该通道会将导通的FET关闭并报告错误状态。管理通道集成了过温关断(OTSD)特性。如果内部导通电阻附近的裸片温度超过了大约140℃，管理通道保持在电流限制状态的时间足够长，OTSD特性会发生跳变。一旦出现这种情况，运行在电流限制状态的管理通道就会关闭。这一特性避免了故障时间过长而对内部导通晶体管造成的损坏。



电流限制反馈环路具有特定的响应时间。诸如短路负载之类的严重故障要求有快速的响应以避免对导通FET的损坏或电压轨电压骤降。TPS2359包括了一个快速跳变比较器，该比较器会在这些条件下关闭该通道(尽管在本文中未谈及这一问题)。此外，该控制器还支持更多阻断FET的ORing功能。这一特性可阻断当输出-输入差动电压超过3mV时的反向传导。

多重转换冗余

ATCA系统通常都要求冗余并行电源。MicroTCA规范倡导了一种冗余技术，该技术需要一个微控制器来独立限制每一个电源的电流。负载所吸收的电流不能超过各个电源电流限制之和。

一种可用的替代运行模式是多重转换冗余。无论工作电源的数量如何，其都可以将负载电流限制在一个固定值。在一个多重转换系统中去除或插入电源均不会影响负载的电流限制。该技术不需要微控制器，从而与上述MicroTCA标准中所描述的冗余方法相比显得更简单和快速。这对于要求不必完全符合MicroTCA 电源模块标准的AMC应用而言是一个颇具吸引力的方法。

为实施多重转换冗余，将冗余通道的SUM引脚连接在一起，并在该节点到地之间绑定一个电阻RSUM。与MicroTCA冗余结构不同(在结构中每一个电源都有其自己的电阻RSUM)，RSUM需要驻留在多重转换结构的背板上。图3所示为有效负载电源使用多重转换功能的一种应用。现在，电流限制阈值将适用于冗余电源所提供的电流的总和。在有效负载电源通道上实施多重转换冗余时，所有通道必须都采用相同的RSENSE和RSET值。



结语

ATCA是第一个解决电信设备电源要求的开放性标准。就ATCA而言，系统设计人员所面临的电源管理挑战包括有限的电流限制、高可用性冗余电源、热插拔要求、故障保护以及复杂的状态监控。在TPS2359以紧凑的36引脚QFN封装实现了高精度电流限制电路、独特的多重转换特性以及所有必要的保护和监控电路的整合后，这些问题都迎刃而解。