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座人模块化的ATCAFRU电源管理架构

发布时间:2021-10-22 14:45:09 阅读: 来源:汽油机厂家

模块化的ATCA FRU电源管理架构

AdvancedTCA或者缩写ATCA意为先进电信计算架构,由PICMG 3.0委员会定义。符合ATCA的系统由一个或多个热插拔线卡组成。符合AdvancedTCA标准的线卡也称为现场可更换单元(FRU),系统必须实现一些基本的管理功能,例如电源输入、冷却及互连要求。电路板上的微控制器实现所有这些管理功能,这个微控制器称为智能平台管理控制器(IPMC)。

PICMG 3.0还定义了分层管理结构的实现,通过智能平台管理总线IPMB,机架管理器(Shelf Manager)与FRU上的IPMC进行通信。FRU插入背板及打开载荷前(载荷是指在FRU中实现的特定应用功能),电路板上的IPMC发送详细的FRU卡信息至机架管理器。然后,机架管理器命令IPMC打开载荷。如果背板上插入了不正确的卡,管理器会命令IPMC不要打开载荷,这样就保护了其他的FRU。

为了符合ATCA,按照PICMG 3.0规范,所有的FRU应该实现基本的管理结构。本文阐述了ATCA电源分布结构和用平台管理整合载荷电源管理的方法。

FRU电源

图1为在FRU中电源分布安排的实例。大多数FRU有两个连接器,称为Zone 1连接器和Zone 2连接器。Zone 1连接器为FRU提供-48V电源。Zone 2连接器用于内部FRU载荷通信。Zone 1连接器还能连接到智能平台管理总线 (IPMB)。IPMB是基于I2C总线的规范。

图1:FRU中的主电源分布

背板提供的-48V电源通过隔离的DC/DC转换器产生主载荷电源电压 ( 通常为12V )。在电路板上,这个12V的总线产生所有指定的载荷电压。通过管理电源12V为IPMC供电。

图1展示了在ATCA FRU中控制电源分布的4个主要块:热插拔控制器,FET和隔离的DC/DC转换器;智能平台管理控制器 (IPMC)管理电源;载荷电源管理控制器,载荷DC/DC转换器和负载点(POL)电源;电经太长期的发展路板载荷。

PICMG 3.0标准指定了热插拔控制器和IPMC的功能。然而,载荷电源管理控制器或者DC/DC转换器的工作取决于实际的载荷电路,但是这些并没有在规范中涵盖。

热插拔控制器

Zone 1连接器的-48V通过一系列FET调整管为图中显示为“-48V隔离的DC/DC”的隔离DC/DC转换器供电。FRU插入机箱背板时,热插拔控制器控制浪涌电流。浪涌电流发生后,热插拔控制器打开-48V电源,通过开启FET全部送入 隔离DC/DC转换器。隔离DC/DC转换器为载荷和管理控制电路分别提供12V 和3.3V电压。

智能平台管理控制器

智能平台管理控制器(IPMC)是一种微控制器,用来控制至电路板载荷的电源、管理电路板互连和冷却需求。FRU插入背板时,IPMC首先与管理器通信。根据机箱管理器发出的指令,通过载荷电源管理控制器,IPMC控制送到载荷的电源。此外,管理器还可以决定是否复位FRU主处理器(CPU),用冷复位还是热复位。

IPMC还会测量各种电源电压、电流、温度,并把它们存入称为传感器数据记录(SDR)的中央存储区。ATCA定义了IPMC和管理器之间的通信协议(指令处理、数据结构、状态机和SDR),对所有ATCA FRU的实现都是通用的,而与载荷的功能无关系。

载荷电源管理控制器和载荷DC/DC转换器

载荷电路决定了FRU中产生的电源电压数目。载荷电源由载荷集成电路决定上电和关闭的时序。为了确保可靠的操作,对所有的电压和电流都应该进行监控。发生故障时,监控信号应对电路板上的CPU发出报警信号,用IPMC记录故障。在极端的情况下,应该关闭用于载荷的智能网联汽车稳步推动电源,以免损坏整个电路板。

载荷电源管理控制器的功能如下:管理电路板上的DC/DC控制器,即软启动、定序、跟踪、裕度和调整;产生所有电源相关状态和控制逻辑信号,即产生复位信号、指明过电压、欠电压和过电流(监控)和电压电流测量;针对ATCA,控制送入的主电源;针对AMC,短路电流保护和送入AMC的电源。

典型的载荷电源管理控制器实现

平均来说,ATCA FRU有6到10个电压。上面列出的电源管理功能会很复杂,通常需要一个PLD或一个微控制器,除单功能电源管理集成电路,还要监控器、复位产生器和热插拔控制器。图2展示了典型的电源管理控制器块。在图的左上方为主电源(+12V)。

图2:传统的电源管理控制

IPMC发出指令时,载荷电源控制块开启载荷电路电源。这个块还控制送入AMC的电源。通常用若干个热插拔控制器集成电路实现这个块。

12V总线开启后,所有的DC/DC转换器都用一个方式打开,即满足载荷电路的定序或跟踪需求。电路板调试过程中,这些要求会发生变化,通常用IPMC或者PLD实现时序算法,这样就易于改变时序算法。

电路板完全上电后对电压进行监控。发生电源故障时,在关闭整个电路板之前,中断主处理器并安全地终止当前工作。电源故障警告信号送至IPMC,用以更新管理器。如果电源故障很严重,IPMC会决定关闭载荷电源。

在所有电源开启之后,复位产生器的用途是对CPU复位。管理器发指令时,也许要求IPMC复位CPU。IPMC主要的用途是实现PICMG3.0规范平台管理功能。为了符合规范,IPMC执行严格的协议、状态机和预定义指令的译码。片上ADC用来测量电路板上所有的电源和电还必须有低的应力腐蚀敏感性流,并存入SDR。

设计师经常使用IPMC微处理器提供的软件灵活性实现规定的载荷电源管理(PPM)功能,例如载荷电源定序、出现电源故障或者过电流故障时,启动关闭功能。在某些情况下,微处理器可通过DAC修整电源。

载荷电源管理中IPMC的缺点

如前所述,IPMC的主要功能是执行规定的PICMG 3.0平台管理功能。应对IPMC软件进行完全的测试以保证电路板满足规范要求。一旦IPMC软件被认证,对软件的任何修改都要进行完全的测试。

要分别对每个FRU设计进行测试,以确保符合IPMC。这是很耗时的事,因为要按照标准进行重复测试。电源管理算法也许要进一步修改以满足电路板上ASIC的新要求,这会导致修改IPMC软件,并对是否符合IPMC再次测试。

在软件中监控故障增加了软件的开销,也许会减慢微处理器对通信协议的响应。这个应用还要求微处理器拥有片上多通道模拟复用的高精度ADC。根据载荷的情况,由于电源管理增加了代码长度,或许必须使用增加存储资源的更加贵的微处理器。

ATCA FRU模块化电源管理

模块化ATCA FRU电源管理具有许多优点,主要包括能够缩短产品上市时间,快速适应工作环境的变化,降低成本,并增加软件和硬件以及整个系统功能的可靠性。

图3的解决要求“民用建筑外墙保温材料使用标准不得低于A级”方案是对图2所示的电源管理控制的修改。在此方案中,IPMC只执行平台管理功能,指导Power1220实现所有的PPM功能。

图3 模块化ATCA FRU电源管理:IPMC + Power1220

这个方块图分成3个部分:IPMC(用微控制器实现);可编程电源管理控制器(采用Power1220);FRU载荷电路,DC/DC转换器和MOSFET。

Power1220使用片内48个宏单元CPLD实现子模块功能,如图中的FRU载荷电源管理 Power1220所示。送入子模块载荷电源直接控制MOSFET的开启或关闭。ATCA电路板的典型功耗是100W或更多一些。为了满足电源要求,12V的总线应该能够提供8A的电流。为了确保大电流通过,PPM必须使MOSFET工作在安全区,这个功能由多个热插拔控制器集成电路来实现。

片内PLD实现电源定序和跟踪功能,控制所有DC/DC转换器的开启、关闭定序。在调试阶段经常会改变定序算法,这可以通过改变状态机的代码来实现。

用片上的10位ADC并通过I2C 总线,IPMC能测量所有的电压和电流。Power1220提供多个数字反馈控制环和DAC支持多达8个DC/DC转换器的调整和裕度。

用24个片上可编程阈值(典型值 0.2%)比较器监控多达12个电源过电压和欠电压故障。这个功能整合了许多监控集成电路的功能。因为每个比较器的阈值是可编程的,可用来监控各种电压而无需外部的分压器。复位产生器用相同的可编程阈值比较器产生CPU复位信号和片上定时器提供复位脉冲持续时间功能。

PPM的中断命令块将IPMC的命令转成针对前面描述的每个块的多个控制信号。例如,执行开启电源指令要求下面一些功能:开启电源(+12V)送至MOSFET;一旦电压到达阈值,开启DC/DC转换器,针对该FRU遵循所要求的电源定序规则;倘若上电时电源有故障,立即关闭所有的电源并告知IPMC有故障;所有电源开启后,产生冷复位;上电后,有时这个信号要求脉冲持续100毫秒;发送“成功”状态响应至IPMC。

Power1220有24个可编程阈值比较器的12个模拟输入、6个数字输入、20个输出(包括4个电荷泵MOSFET驱动器)、拥有8个数字闭环控制块的8 DAC,以及片上可编程定时器以实现所有如图3所示的PPM功能。(end)

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