隨著AdvancedTCA 和MicroTCA技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，面向下一代網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也越來越多。在這樣的應(yīng)用中，背板傳輸帶寬、供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是大家關(guān)注的焦點。安全、可靠的供電系統(tǒng)對AdvancedTCA 和MicroTCA產(chǎn)品至關(guān)重要，在某些情況下甚至?xí)蔀橄到y(tǒng)設(shè)計的技術(shù)瓶頸。
作為高級通信計算平臺（AdvancedTCA 和MicroTCA）的專業(yè)設(shè)計和生產(chǎn)廠商，上海鼎鈦克電子有限公司（DINTEK）研究開發(fā)了Power On Demand? – 按需供電技術(shù)，將針對供電能力、功率控制和安全管理等方面面臨的問題為AdvancedTCA 和MicroTCA產(chǎn)品的設(shè)計實現(xiàn)提供全新的解決方案。
1. 高級通信計算平臺的供電系統(tǒng)設(shè)計所面臨的問題
以AdvancedTCA和MicroTCA為代表的高級通信計算平臺，為了實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)傳輸能力，相對于一般的計算機、通信系統(tǒng)，采用了更高密度的設(shè)計。在限定的空間內(nèi)，大量的CPU/NPU/DSP/FPGA/Memory及高速數(shù)據(jù)接口電路的采用，使得單一模塊的功耗變得非常大，從而要求系統(tǒng)必須具有足夠強的供電能力。
CPCI系統(tǒng)單板功耗一般為20W~30W，很少會超過50W，而ATCA系統(tǒng)的單板功耗則可能達(dá)到200W~250W甚至更高，功率密度比CPCI高2~3倍；PMC的功耗一般為7.5W~12W，而AMC的功耗則可能高達(dá)35W、70W甚至140W，功率密度比PMC高4~5倍。表1給出了一些參考數(shù)據(jù)。
表1 CPCI/ATCA/PMC/AMC的功率密度對比
功率密度的提高，不僅對系統(tǒng)的供電能力提出了更高的要求，而且對系統(tǒng)的設(shè)計也帶來了新的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在如下幾個方面： 1、 模塊熱拔插的可靠性 2、 系統(tǒng)開關(guān)機的可靠性 3、 系統(tǒng)冗余的成本控制 4、 體積、密度及安裝方式的限制 當(dāng)模塊的功率密度提高以后，背板連接器引腳的功率負(fù)荷會變得很大。雖然ATCA模塊采用了48VDC工作電源，AMC模塊采用了12VDC工作電源，減少了輸入電壓種類，降低了模塊的工作電流，但是，大功率模塊的拔插過程仍然會對電源系統(tǒng)和其他相關(guān)模塊產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響。比如瞬間大電流、電壓過沖或跌落、電磁干擾等等。
當(dāng)一個系統(tǒng)只有幾百瓦的功耗的時候，系統(tǒng)開關(guān)機可能不會出現(xiàn)不可靠的問題，但是當(dāng)系統(tǒng)的功耗達(dá)到幾千瓦的時候，開關(guān)機的可靠性問題會變得非常突出。因為，無論是較大的工作電流還是較大的工作電壓，都會加大電源輸入開關(guān)的負(fù)荷，如果沒有采取正確的方式，就會產(chǎn)生不期望的電磁干擾、過熱或其他損傷和失效的發(fā)生。
在電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，當(dāng)元器件經(jīng)過層層篩選和老化被應(yīng)用于系統(tǒng)產(chǎn)品以后，在正常工作條件下，一般都會有相當(dāng)長的平均無故障工作時間（MTBF）。但是，大功率條件下的熱拔插及開關(guān)機，如果沒有采取恰當(dāng)?shù)目刂品绞剑蜁黾釉骷氖C會，降低MTBF，從而影響系統(tǒng)的可靠性。
為了提高系統(tǒng)的可靠性，模塊的冗余和電源的冗余是必不可少的。但是，這會對成本產(chǎn)生比較大的影響。比如，由2個MCH+12個AMC構(gòu)成的MicroTCA系統(tǒng)，如果每個模塊按70W的最大功率計算，系統(tǒng)的供電能力就要達(dá)到840W，如果再考慮冗余，就需要840W+840W=1680W。而實際工作中，最大功率一般只出現(xiàn)在上電、復(fù)位/重啟動、初始化等狀態(tài)，所以，如果對這些過程加以適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢源蟠蠼档蛯ο到y(tǒng)供電能力的要求、降低冗余功耗的要求，從而大大底降低系統(tǒng)的成本。 [NextPage]
對于大功率系統(tǒng)，電能消耗的成本不可忽視。有數(shù)據(jù)顯示，通信設(shè)備3~4年的耗電費用就相當(dāng)于設(shè)備本身的采購費用。對于采用冗余設(shè)計的系統(tǒng)，冗余模塊STANDBY狀態(tài)的功耗應(yīng)該盡可能低，最理想的狀態(tài)就是不工作就不耗電，這不僅可以直接降低系統(tǒng)的運營成本，也可以減少冗余模塊STANDBY狀態(tài)的故障率，提高系統(tǒng)的可靠性，從而間接降低系統(tǒng)的維護成本。
MicroTCA技術(shù)，雖然規(guī)劃設(shè)計了非常完善的功率控制和管理功能，但是由于體積、位置和安裝方式的限制，很難滿足實際系統(tǒng)的應(yīng)用要求。而且，按標(biāo)準(zhǔn)MicroTCA電源模塊（PM）設(shè)計的產(chǎn)品，其成本居高不下，也不符合電信接入市場和邊緣設(shè)備對成本的控制要求，缺乏市場競爭優(yōu)勢，阻礙了MicroTCA技術(shù)的應(yīng)用推廣。
所以，如何設(shè)計實現(xiàn)低成本、高可靠性、高功率密度、智能化管理的供電系統(tǒng)，構(gòu)建功能完善、有競爭力的ATCA/MicroTCA產(chǎn)品，是亟待解決的重要的問題。
2. Power On Demand – 按需供電的概念、設(shè)計目標(biāo)和實現(xiàn)策略
用一句話來概括，所謂“Power On Demand?-按需供電”就是“在需要的時候按需要的方式供電”。
所謂“需要的時候”指的是模塊在正確的插槽插入到位并且處于ACTIVE工作狀態(tài)。一般的計算機或通信系統(tǒng)采用的都是總線型供電方式，不管模塊是否存在，也不管模塊的狀態(tài)，背板連接器的電源引腳始終與系統(tǒng)電源連接，只要系統(tǒng)上電，所有的插槽就都為上電狀態(tài)。當(dāng)進行熱拔插的時候，不可避免地會出現(xiàn)抖動、浪涌、過沖。雖然通過背板和模塊上的去耦電路和過流過壓保護電路能夠減輕拔插狀態(tài)的電磁干擾，但是，卻無法從根本上消除所產(chǎn)生的不良影響，從而帶來系統(tǒng)可靠性方面的隱患。當(dāng)模塊的工作電流或工作電壓比較大時，在特定環(huán)境和條件下，拔插過程可能還會引起電火花，對連接器的電源引腳造成不可恢復(fù)的損傷。如果在沒有發(fā)現(xiàn)的情況下，模塊或背板連接器的引腳出現(xiàn)短路，進行熱拔插時就很可能燒毀模塊或背板，導(dǎo)致系統(tǒng)電源處于保護狀態(tài)，使整個系統(tǒng)暫停工作。采用Power On Demand-按需供電技術(shù)，就可以從根本上避免上述問題的出現(xiàn)，系統(tǒng)會自動檢測模塊的在位狀況，當(dāng)檢測到模塊在位后首先會提供低壓（3.3VDC）、小電流（小于200mADC）的管理電源，模塊利用管理電源進行自檢并建立與系統(tǒng)管理模塊的通信，報告自身的屬性和狀態(tài)，系統(tǒng)管理模塊確認(rèn)模塊的位置、屬性和狀態(tài)符合要求之后，才會在需要的時候以獨立的通路向模塊提供工作電源，從而最大限度地保證模塊和系統(tǒng)的安全。采用Power On Demand-按需供電技術(shù)，還可以通過一定的策略控制模塊的上電時間和上電順序，在不影響系統(tǒng)性能的情況下降低系統(tǒng)的峰值工作電流，從而降低系統(tǒng)的電源冗余指標(biāo)、降低系統(tǒng)的成本。
所謂“需要的方式”指的是系統(tǒng)能夠根據(jù)板卡的要求，以適當(dāng)?shù)碾妷骸㈦娏鳎üβ剩⒔r間、保持時間和適當(dāng)?shù)谋Ｗo方式對模塊進行供電。采用Power On Demand?-按需供電技術(shù)，首先對工作電流和工作電壓進行主動的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)超出正常的工作范圍，就要實施主動的保護，必要時會主動切斷對應(yīng)的供電通路，避免不良影響的擴大和不期望的損壞。采用Power On Demand-按需供電技術(shù)，還可以對工作電源接通瞬間的電壓上升過程進行控制，以減輕電壓過沖和浪涌電流對系統(tǒng)的影響；當(dāng)然當(dāng)模塊拔出或停止工作時，也會對電壓的下降過程進行控制，為相關(guān)進程的保護、關(guān)閉和退出保持足夠的時間。這些對系統(tǒng)可靠性的提高都至關(guān)重要。
要實現(xiàn)Power On Demand-按需供電，模塊（負(fù)載）、背板（電源回路）、管理模塊以及電源模塊都要進行針對性的設(shè)計和兼容性測試。缺少任何一個部分、任何一個環(huán)節(jié)，都很難達(dá)到按需供電的目標(biāo)和效果。
3. Power Management Module（PMM）- 針對AdvancedTCA和MicroTCA產(chǎn)品的按需供電解決方案
PICMG3.0 R2.0雖然規(guī)定ATCA系統(tǒng)必須為模塊提供-48VDC工作電源和+3.3V管理電源，并且在模塊上增加了PIM，通過ShMC和IPMI控制工作電源的上電時間，但是并沒有實現(xiàn)真正意義上的按需供電。因為，在ATCA背板上-48VDC工作電源仍然是總線型的，任何模塊的電源故障仍然會對整個系統(tǒng)造成不良影響。DINTEK正計劃對ATCA的供電系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，從背板、PEM和ShMC等環(huán)節(jié)進行改進和提高，推出針對ATCA系統(tǒng)的電源管理模塊（PMM/APMM），實現(xiàn)真正的“按需供電”。
MTCA.0 R1.0對MicroTCA供電系統(tǒng)進行了近乎完美的設(shè)計，規(guī)定MicroTCA系統(tǒng)的必須為AMC提供+12VDC工作電源和+3.3V
管理電源，并且規(guī)定電源模塊（PM）必須通過背板以獨立的回路為每一塊MCH、AMC和CU（冷卻單元）獨立供電，并且規(guī)定了PM、MCH、AMC和CU之間的通信方式和通信接口。從技術(shù)上基本實現(xiàn)了按需供電的要求。但是，MicroTCA系統(tǒng)只規(guī)定了單寬6HP和單寬9HP兩種電源模塊的尺寸，在如此狹小的空間內(nèi)既要實現(xiàn)復(fù)雜的電源管理功能又要提供840W的供電能力，在工藝上存在很大的困難，在成本上也與市場需求有很大的差距。DINTEK經(jīng)過市場調(diào)研和技術(shù)論證，把MicroTCA供電系統(tǒng)的功率控制功能獨立出來，開發(fā)了專用于MicroTCA系統(tǒng)的電源管理模塊（PMM/MPMM），突破了尺寸、體積、功率密度的限制，搭配通用的AC/DC電源或DC/DC電源，為MicroTCA產(chǎn)品提供了功能完善、結(jié)構(gòu)靈活、低成本、高性能的“按需供電”的系統(tǒng)設(shè)計方案。
4. Power On Demand–按需供電技術(shù)的應(yīng)用展望
Power On Demand-按需供電技術(shù)是高可靠系統(tǒng)的供電方式和管理方式的一種創(chuàng)新，除了面向下一代網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)備、交換設(shè)備、傳輸設(shè)備和刀片式服務(wù)器以外，其他領(lǐng)域的任何需要更安全、更可靠的供電解決方案的計算機、通信和工業(yè)測控產(chǎn)品都有可能采用Power On Demand?-按需供電技術(shù)。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的電源管理模塊（PMM），不僅會大大提升了系統(tǒng)產(chǎn)品的性能，而且會增強系統(tǒng)的可靠性和靈活性，直接和間接地降低系統(tǒng)的成本、降低系統(tǒng)的能耗，具有極大的市場價值和廣闊的應(yīng)用前
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