MicroTCA 电源系统设计中必备的要素：性能，成本和可靠性

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电源分配单元（PDU）得到的。如图所示，假定短路情况发生在机架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。

                           图9 － 短路造成的在输入侧电压跌落

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：
　　· 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。

· 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。

· 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。

· 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Nichicon 63V LS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