MicroTCA 电源系统设计中必备的要素：性能，成本和可靠性

地先看一下典型的没有冗余电源模块的情况，如图13所示。图中只是针对一个有效载荷通道的情况，但原理是相同的，因此在直流/直流变换器和EMMC控制器之外的所有有效载荷通道和管理通道的情况也是一样的。由于管理电源通道的电流是很小的，因此并没有设计的挑战。集中在单一的有效载荷通道来进行讨论。假定只有一个单路直流/直流变换器和一个EMMC模块在一个电源模块中，这个功能是被所有32路通道共享的。

在EMMC控制器，电流检测电阻和输出控制MOS管之间的框图一般来说会是一个专用的热插拔控制IC。通常这些IC芯片可以控制多路通道，因此对于32路通道可能需要多个IC芯片，但每个通道的功能是独立的。在每个通道上有两个串联的半导体开关管。左边的是导通器件，而右边的是“或”器件。“或”器件防止电流从负载端倒灌入电源模块中。导通器件用来使能或限制输出电流，也用来限制对于热插拔软启动电路电流和故障电流。

                       图13 － 2＋1备份的MicroTCA电源模块

由于这是一个非冗余电源模块，它的输出要么是开要么是关。就没有设定它为待机状态以便取代其它的电源模块。也就是说两个MOS管可以被同一个控制线路所驱动，如图所示。这导致了非常简单的实现方式，只有两个控制线路（使能和工作正常），对于这个有效载荷电源通道只需要定义三个情况。这三个情况是：
　　· 通道关闭
　　· 通道开和工作
　　· 通道开但有故障

必须注意没有冗余并不等于限制了在系统中的电源模块数量。可以是多个电源模块，但每个电源模块只能同特定的AMC卡，冷却模块或MCH模块工作，在故障时，电源模块之间并没有互相支援和影响。

典型的对于输出通道进行冗余方法非常复杂，如图14所示。电路原理时一样的，但是多了一些联路和控制状态。EMMC模块必须同12V的直流/直流变换器相连，这样就可以根据这个电源模块是被作为主电源模块还是冗余电源模块来对12V的直流/直流变换器的输出电压进行设定。在图14中这种联接方式举例为采用电源管理总线（PMBusTM）。PMBus还同热插拔控制器相连，以便得到从输出通道进行数据采集的能力。在EMMC模块和热插拔控制单元之间也有控制线路，对于热插拔控制芯片进行主/备份功能定义。请注意在实现冗余功能时，“或”器件是单独被导通器件驱动的。如果某个特定的电源模块被定义作为冗余备份，这个“或”器件就会被关闭。由于冗余直流/直流变换器的电压设置较低，这个“或”器件的体二极管就反向偏置。在主电源模块发生故障时，这个体二级管会自动正向导通，从而使冗余电源模块输出功
率。然后“或”器件会被控制逻辑打开以减少连接阻抗和降低损耗。

                           图14 － 允许冗余运作时的有效载荷通道

所有一切为了实现冗余功能而导致了额外的复杂。现在在EMMC控制器和热插拔功能之间是四条控制线路而不是两条。而被定义的控制状态是七个而不是两个。需要使用PMBus来连接直流/直流变换器。另外，当使用冗余时，限流精度将要求更高。相较于如图13所示不使用冗余的设置情况，冗余的解决方案需要额外增加300平方毫米的PCB面积来放置这些电路。这将是接近电源模块PCB面积的2.5％。相对于非冗余的电源模块来说，冗余电源模块解决方案将增加10个成本单位。这个估计是基于16个有效载荷通道的。对于低电流的管理管道来说，这个影响是可以忽略的。同时需注意的是上述评估是基于2006年时的热插拔器件的价格情况作出的。如今由于半导体厂家针对现在的MicroTCA市场开发出了更多高集成度和灵活的通道控制器件，因此上述评估的结果可能会有变化。另外从成本角度来看，相对于非冗余的系统，冗余系统当然至少需要增加一个电源模块。

我们现在来检验冗余对于12V直流/直流变换器的影响。在基本的MicroTCA规范中定义了AMC模块的输入电压精度范围为10V到1