TI-ATCA电源要求与保持技术

1ATCA电源要求与保持技术2005年中国国际电源产品暨技术展2005年10月19日中国·北京主讲者：JimBird•ATCA介绍–背景–ATCA电源概览–主要电源要求•行业要求问题–一级NEBS中的UV/OV冲突、接地方案、接地环路•ATCA电源设计难题–在-48V输入上保持电源5ms短路•AMC（高级适配卡）与microTCA–电源要求•总结议程3ATCA介绍背景•PICMG3.0=ATCA=先进的电信计算架构–由众多企业与用户制定的开放式标准–旨在替代由TEM定义的众多专用系统•缩短系统开发周期并降低成本•实现更高性能、更大灵活性–PICMG=PCI工业计算机制造商小组•PCI=外设组件互连••PICMG3.0具有众多附属规范•PICMG3.1–以太网／光纤通道•PICMG3.2–Infiniband•PICMG3.3–StarFabric•PICMG3.4–PCIExpress•PICMG3.5–RapidIO•PICMG3.0第四部分——电源分配•4.1–双－48VDC电源分配•4.2–接地策略•4.3–板级功率转换4ATCA介绍通用ATCA电源系统架构IsolatedDC/DCControllerAMCHotSwapHotSwap&InrushLimitingVRTN_AAdvancedMezzanineCardI/OSupplyEMIFilterVRTN_B-48V_A-48V_BNonIsolatedModuleDC/DCControllerVoltageSupervisorLDOCoreSupplyLow-VoltageSupplyFlash/MemorySupplyDC/DCConverterIPMIPowerATCA主板5ATCA介绍ATCA机械概况•高功率–16个主板／机架=200Wx16=3200W–3个机架／机柜=3200x3=9600W–热！热！热！6ATCA主板主要电源要求•采用来自一个或多个电源的双独立－48V馈电•完全兼容－43V～－72V供电电压•可提供低于－43V的降级操作•可支持低于－39.5V的电源电压•在电源超过所支持的阈值(－43V)5秒后启动•在Vin=－38V情况下可以为管理子系统供电(IPMI)•功耗将超过200W•0～－75V的电压不会造成损害•Vin﹤32V且时间超过2秒情况下，电流不超过10mA•－48_A与－48V_B之间不产生电流（隔离式电源）•－VRTN_A与VRTN_B之间不产生电流•在授权电源权限之前功耗低于10W•在输入短路5ms情况下可正常运行（指定压摆率时为10ms）•如欲了解有关Shortform规范的详情，敬请访问：输入电源架构选项1——二极管／FETORingPICMG3.0R2.0图4－14•二极管ORing–简单–低成本–小尺寸•但……–难以检测隐蔽故障–可能形成接地环路8ATCA输入电源架构选项2——双隔离砖型PICMG3.0R2.0图4－14•双转换器–隔离效果更好–无接地环路–N+1冗余•但……–需要更多部件–更大尺寸–更高成本–更低效率9行业要求问题1.不同运营商之间相互冲突的欠压电平2.全球不同的接地方案3.部分运营商不允许接地环路10•同一设备不可能满足所有运营商的要求——如上述UV•ATCA规范涉及面广，足以满足所有运营商的要求–了解最终用户及其OV/UV要求–ATT/VerizonUV+/-0.5的启动容差=1%参数……..极其严格行业要求问题相互冲突的运营商欠压规范SpecificationNominalFullOperationDegradedOperationAllowedUndervoltageOvervoltageUVon-offUVoff-onMeasurementPointATCAPICMG3.0Shelf-48-44to-72-32.0to-44.0-32.0to-44.0-72to-75ShelfInputATCAPICMG3.0Board-48-43to-72-32.0to-43.0-32.0to-43.0-72to-75BoardInputANSIT1.315-1994-48-42.75to-56.7-42.75-56.7PowerPlantAT&T802-010-100-48-40to-60-40-60-38.5+/-1-43.0+/-0.5RackInputAT&TNEDSCentralOffice-48-40to-57.5-40-57.5-38.5+/-1-43.5+/-0.5(2)RackInputAT&TNEDSRemoteLoc.-48-40to-57.5-40-57.5-38.5+/-1-47.0+/-0.5(2)RackInputBellSouthTR73503-10-48-42.75-42.75RackInputETS300132-2-48-40to-60-40.5to-44.0-40-60RackInputGR-513LSSGR-48-41.75to-60-41.75-60BattDistFuseBoardSBCTP76200MP-48-42to-56.7BattDistFuseBoardVerizonNEBSChecklist-48-40to-57.5-38.5+/-1-47.0+/-0.5(1)RackInputWorldCom(MCI)-48-40to-57.5PowerPlantWorstCase-40to-75-38.5+/-1ConflictRackInput(1)NotMandatory(2)Maybemovingto+/-2.0Vinfuture`11•不同运营商在不同地区采用不同的接地方案–Star-IBN与Mesh-IBNs要求DC回路，从而与机架接地隔离。–Mesh-BNs也可能会要求DC回路以与机架连接。行业要求问题准备好随处接地或不接地标准的北美地区地区新兴的北美地区欧洲来自CCITTK.2712行业要求问题ORing二极管可能产生接地环路•ATCA不允许馈电之间或回路之间存在电流–第4.1.4段：“主板应当隔离馈电A与B，从而使－48V_A与－48V_B之间以及VRTN_A与VRTN_B之间不产生电流“•对于是否允许从－48V_A到VRTN_B或者从－48V_B到VRTN_A方向存在电流，ATCA未提出任何要求。–ORing二极管不能防止上述流向的电流–单电源系统无需注意–配有2个独立装置的局端系统需要注意•从电源－48V_A开始的接地环路可能会通过负载到达VRTN_B，然后通过接地路径到达VRTN_A。•Tier1系统的一般解决方案是采用2个DC/DC转换器以及“或”输出–高成本、低效率、占用更多板级空间，并且可靠性低。•采用开关管的“或”接法不会产生地环路问题，但是会带来非常麻烦的控制问题。13行业要求问题采用ORing二极管可能造成接地环路-48VSupplyB-48VSupplyAIdealCurrentFlowinDiodeOR'edSuppliesIR1=IR2andIR3=IR4RLOADR4GroundLoopinDiodeOR'edSuppliesDuetoExcessiveR3R2R1R3HighImpedanceofR3CausesSupplyAtoReturnthroughRTNBandEarthgroundConnectionsRGAandRGBRLOADNoGroundLoopcurrentsinSwitchedFETDesignsR4R2R1R3NoLoopCurrentSinceOnlyOneSupplyConnectedRTN-48VRTN-48VRGBRGARGBRGA-48VSupplyB-48VSupplyARLOADR4R2R1R3RTN-44VRTN-48VRGBRGA-48VSupplyARTN-44V-48VSupplyBRTN-48V14满足5ms的ATCA主板保持要求15•PICMG3.0表4－4要求主板在5ms瞬态0V情况下仍能正常工作–由于指定的升降斜率，实际保持时间为9.3ms–ATCA规范摘自ATTNEDSReq.1.2-80（2004年3月，第4版）–ATT规范适用于机柜／机架，不适用于主板。而ATCA将保持规范应用到主板中。–200WATCA主板在100V情况下要求10000uF。满足5ms的保持要求问题……-43V0V0.86ms3.44ms5.0ms0V瞬态波形16•在存在5ms瞬态0V情况下，主板必须继续正常工作。•当保险丝熔断时，附近板卡上的总线电位会被拉低–5ms是熔断器熔断的估计时间。•0V持续5ms；（50V/ms降，12.5V/ms升）•需要超大型板上电容——200W主板需要2焦耳•能量需求；E=PxT=200Wx(5ms+(43/50)ms+(40/12.5)ms)=1.8焦耳CHOLDUP=2E=2(1.8)=9375mF(V12-V22)(1-K)(432-372)(1-.2)满足5ms的保持要求应解决如下问题E=5ms保持所需能量(200W为1.8焦耳)V1=瞬态启动电压(－43V)V2=Vwhere模块短路电压(~UVLO)K=电解电容器容差PassFetRTN_A-48V_B-48V_ACHOLDUPCONVERTERnVIN+VIN-VOUT+VOUT-PMMPower10WattVIN+VIN-VOUT+VOUT-DC_OUT1DC_OUTnRTNRSENSEHOTSWAPCONT.EMIRTN_B17–热插拔控制器需要超长Faultime•造成过电流保护较弱–在浪涌期间造成对FETSOA的冲击–占用大量板级空间–100V电解电容器价格昂贵–组件高度达21.33毫米•需要众多小型电容器满足5ms的保持要求需解决如下问题181.不符合规范——仅采用空间与成本所允许的电容–不符合ATCA，也无相关建议。但是仍然有人如此做！2.大量蓄能－在主板上集成所有需要的CHOLDUP；•在启动时让热插拔组件重复执行故障／重试Ø冲击FET，并造成瞬态电压Ø除非是超低功率主板，建议不采用或者•大型电容器延迟／减速充电Ø保护FETØ进一步延长主板的使用周期3.高压蓄能(HVES)–电容器需求降低80～90％–可用于延迟／减速充电电路满足5ms的保持要求可行性解决方案19330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF330uF满足5ms的保持要求大量蓄能解决方案•大量蓄能方法•以输入电压积蓄能量•－43V低压•尺寸与成本迅速增高•330x30=9900uF•$25.50@$0.85ea•标明其实际尺寸•PanasonicEEVFK2A331M•除非采用保护设计，否则会冲击FET20•解决方案2——CHOLDUP延迟／减速充电•CHOLDUP通过电阻器与FET开关进行充电•在热插拔功率良好(PG)信号发送之前FET保持断开•在浪涌期间，仅有几百μF的C充电（并非CHOLDUP）•必要的CHOLDUP需要大量空间与成本•优势•较为简单•可以在为FET提供良好保护的同时缩短故障时间•电阻器能够将充电电流限制到几十安培•有无延迟FET，均可采用该解决方案PassFetRTN_A-48V_B-48V_ACHOLDUPCONVERTERnVIN+VIN-VOUT+VOUT-PMMPower10WattVIN+VIN-VOUT+VOUT-DC_OUT1DC_OUTnRTNRSENSETPS2393/ARTN_BPG\ENEMI满足5ms的保持要求利用大型电容