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Power On Demand® - 高级通信计算平台的按需供电技术
发布时间:05-26    网站编辑:网站管理员    来源:本站


Power On Demand® - 高级通信计算平台的按需供电技术

 
 
上海鼎钛克电子有限公司 彭文进

摘要:随着AdvancedTCA 和MicroTCA技术的不断完善和发展,面向下一代网络的应用也越来越多。在这样的应用中,背板传输带宽、供电系统和冷却系统是大家关注的焦点。安全、可靠的供电系统对AdvancedTCA 和MicroTCA产品至关重要,在某些情况下甚至会成为系统设计的技术瓶颈。本文介绍的Power On Demand® – 按需供电技术,将针对供电能力、功率控制和安全管理等方面为AdvancedTCA 和MicroTCA产品的设计实现提供全新的解决方案。
关键词:AdvancedTCA,MicroTCA,Power Management
Power On Demand® - Intelligent Power Management Technology for AdvancedTCA and MicroTCA
DINTEK (Shanghai) Electronic Ltd., Witt Peng


 Abstract: Based on consummate of AdvacedTCA and MicroTCA technology, more and more applications are developed for Next Generation Telecommunication Networks. In these applications, the performance of high speed backplane, power system and cooling system are focused. Safety and reliable power system is very important for AdvacedTCA and MicroTCA products. In some situation, it is the technical bottle-neck of system design. Power On Demand? - an intelligent power management technology, introduced in this article, will provide a new solution for power control and management for AdvacedTCA and MicroTCA applications.
 Key words: Advanced TCA,Micro TCA,Power Management

   随着AdvancedTCA 和MicroTCA技术的不断完善和发展,面向下一代网络的应用也越来越多。在这样的应用中,背板传输带宽、供电系统和冷却系统是大家关注的焦点。安全、可靠的供电系统对AdvancedTCA 和MicroTCA产品至关重要,在某些情况下甚至会成为系统设计的技术瓶颈。
    作为高级通信计算平台(AdvancedTCA 和MicroTCA)的专业设计和生产厂商,上海鼎钛克电子有限公司(DINTEK)研究开发了Power On Demand? – 按需供电技术,将针对供电能力、功率控制和安全管理等方面面临的问题为AdvancedTCA 和MicroTCA产品的设计实现提供全新的解决方案。

1. 高级通信计算平台的供电系统设计所面临的问题

   以AdvancedTCA和MicroTCA为代表的高级通信计算平台,为了实现更高的数据处理、数据交换和数据传输能力,相对于一般的计算机、通信系统,采用了更高密度的设计。在限定的空间内,大量的CPU/NPU/DSP/FPGA/Memory及高速数据接口电路的采用,使得单一模块的功耗变得非常大,从而要求系统必须具有足够强的供电能力。
    CPCI系统单板功耗一般为20W~30W,很少会超过50W,而ATCA系统的单板功耗则可能达到200W~250W甚至更高,功率密度比CPCI高2~3倍;PMC的功耗一般为7.5W~12W,而AMC的功耗则可能高达35W、70W甚至140W,功率密度比PMC高4~5倍。表1给出了一些参考数据。

 

 

表1,CPCI/ATCA/PMC/AMC的功率密度对比

   功率密度的提高,不仅对系统的供电能力提出了更高的要求,而且对系统的设计也带来了新的挑战。挑战主要体现在如下几个方面:
    1、 模块热拔插的可靠性
    2、 系统开关机的可靠性
    3、 系统冗余的成本控制
    4、 体积、密度及安装方式的限制
    当模块的功率密度提高以后,背板连接器引脚的功率负荷会变得很大。虽然ATCA模块采用了48VDC工作电源,AMC模块采用了12VDC工作电源,减少了输入电压种类,降低了模块的工作电流,但是,大功率模块的拔插过程仍然会对电源系统和其他相关模块产生比较严重的影响。比如瞬间大电流、电压过冲或跌落、电磁干扰等等。
    当一个系统只有几百瓦的功耗的时候,系统开关机可能不会出现不可靠的问题,但是当系统的功耗达到几千瓦的时候,开关机的可靠性问题会变得非常突出。因为,无论是较大的工作电流还是较大的工作电压,都会加大电源输入开关的负荷,如果没有采取正确的方式,就会产生不期望的电磁干扰、过热或其他损伤和失效的发生。
    在电子技术高度发达的今天,当元器件经过层层筛选和老化被应用于系统产品以后,在正常工作条件下,一般都会有相当长的平均无故障工作时间(MTBF)。但是,大功率条件下的热拔插及开关机,如果没有采取恰当的控制方式,就会增加元器件的失效机会,降低MTBF,从而影响系统的可靠性。
    为了提高系统的可靠性,模块的冗余和电源的冗余是必不可少的。但是,这会对成本产生比较大的影响。比如,由2个MCH+12个AMC构成的MicroTCA系统,如果每个模块按70W的最大功率计算,系统的供电能力就要达到840W,如果再考虑冗余,就需要840W+840W=1680W。而实际工作中,最大功率一般只出现在上电、复位/重启动、初始化等状态,所以,如果对这些过程加以适当的控制,就可以大大降低对系统供电能力的要求、降低冗余功耗的要求,从而大大底降低系统的成本。
    对于大功率系统,电能消耗的成本不可忽视。有数据显示,通信设备3~4年的耗电费用就相当于设备本身的采购费用。对于采用冗余设计的系统,冗余模块STANDBY状态的功耗应该尽可能低,最理想的状态就是不工作就不耗电,这不仅可以直接降低系统的运营成本,也可以减少冗余模块STANDBY状态的故障率,提高系统的可靠性,从而间接降低系统的维护成本。
    MicroTCA技术,虽然规划设计了非常完善的功率控制和管理功能,但是由于体积、位置和安装方式的限制,很难满足实际系统的应用要求。而且,按标准MicroTCA电源模块(PM)设计的产品,其成本居高不下,也不符合电信接入市场和边缘设备对成本的控制要求,缺乏市场竞争优势,阻碍了MicroTCA技术的应用推广。
    所以,如何设计实现低成本、高可靠性、高功率密度、智能化管理的供电系统,构建功能完善、有竞争力的ATCA/MicroTCA产品,是亟待解决的重要的问题。

2. Power On Demand? – 按需供电的概念、设计目标和实现策略

   用一句话来概括,所谓“Power On Demand?-按需供电”就是“在需要的时候按需要的方式供电”。
    所谓“需要的时候”指的是模块在正确的插槽插入到位并且处于ACTIVE工作状态。一般的计算机或通信系统采用的都是总线型供电方式,不管模块是否存在,也不管模块的状态,背板连接器的电源引脚始终与系统电源连接,只要系统上电,所有的插槽就都为上电状态。当进行热拔插的时候,不可避免地会出现抖动、浪涌、过冲。虽然通过背板和模块上的去耦电路和过流过压保护电路能够减轻拔插状态的电磁干扰,但是,却无法从根本上消除所产生的不良影响,从而带来系统可靠性方面的隐患。当模块的工作电流或工作电压比较大时,在特定环境和条件下,拔插过程可能还会引起电火花,对连接器的电源引脚造成不可恢复的损伤。如果在没有发现的情况下,模块或背板连接器的引脚出现短路,进行热拔插时就很可能烧毁模块或背板,导致系统电源处于保护状态,使整个系统暂停工作。采用Power On Demand?-按需供电技术,就可以从根本上避免上述问题的出现,系统会自动检测模块的在位状况,当检测到模块在位后首先会提供低压(3.3VDC)、小电流(小于200mADC)的管理电源,模块利用管理电源进行自检并建立与系统管理模块的通信,报告自身的属性和状态,系统管理模块确认模块的位置、属性和状态符合要求之后,才会在需要的时候以独立的通路向模块提供工作电源,从而最大限度地保证模块和系统的安全。采用Power On Demand?-按需供电技术,还可以通过一定的策略控制模块的上电时间和上电顺序,在不影响系统性能的情况下降低系统的峰值工作电流,从而降低系统的电源冗余指标、降低系统的成本。
    所谓“需要的方式”指的是系统能够根据板卡的要求,以适当的电压、电流(功率)、建立时间、保持时间和适当的保护方式对模块进行供电。采用Power On Demand?-按需供电技术,首先对工作电流和工作电压进行主动的检测,一旦发现超出正常的工作范围,就要实施主动的保护,必要时会主动切断对应的供电通路,避免不良影响的扩大和不期望的损坏。采用Power On Demand?-按需供电技术,还可以对工作电源接通瞬间的电压上升过程进行控制,以减轻电压过冲和浪涌电流对系统的影响;当然当模块拔出或停止工作时,也会对电压的下降过程进行控制,为相关进程的保护、关闭和退出保持足够的时间。这些对系统可靠性的提高都至关重要。
    要实现Power On Demand?-按需供电,模块(负载)、背板(电源回路)、管理模块以及电源模块都要进行针对性的设计和兼容性测试。缺少任何一个部分、任何一个环节,都很难达到按需供电的目标和效果。

3. Power Management Module(PMM)- 针对AdvancedTCA和MicroTCA产品的按需供电解决方案

   PICMG3.0 R2.0虽然规定ATCA系统必须为模块提供-48VDC工作电源和+3.3V管理电源,并且在模块上增加了PIM,通过ShMC和IPMI控制工作电源的上电时间,但是并没有实现真正意义上的按需供电。因为,在ATCA背板上-48VDC工作电源仍然是总线型的,任何模块的电源故障仍然会对整个系统造成不良影响。DINTEK正计划对ATCA的供电系统进行优化设计,从背板、PEM和ShMC等环节进行改进和提高,推出针对ATCA系统的电源管理模块(PMM/APMM),实现真正的“按需供电”。
    MTCA.0 R1.0对MicroTCA供电系统进行了近乎完美的设计,规定MicroTCA系统的必须为AMC提供+12VDC工作电源和+3.3V管理电源,并且规定电源模块(PM)必须通过背板以独立的回路为每一块MCH、AMC和CU(冷却单元)独立供电,并且规定了PM、MCH、AMC和CU之间的通信方式和通信接口。从技术上基本实现了按需供电的要求。但是,MicroTCA系统只规定了单宽6HP和单宽9HP两种电源模块的尺寸,在如此狭小的空间内既要实现复杂的电源管理功能又要提供840W的供电能力,在工艺上存在很大的困难,在成本上也与市场需求有很大的差距。DINTEK经过市场调研和技术论证,把MicroTCA供电系统的功率控制功能独立出来,开发了专用于MicroTCA系统的电源管理模块(PMM/MPMM),突破了尺寸、体积、功率密度的限制,搭配通用的AC/DC电源或DC/DC电源,为MicroTCA产品提供了功能完善、结构灵活、低成本、高性能的“按需供电”的系统设计方案。

4. Power On Demand? –按需供电技术的应用展望

   Power On Demand?-按需供电技术是高可靠系统的供电方式和管理方式的一种创新,除了面向下一代网络的接入设备、交换设备、传输设备和刀片式服务器以外,其他领域的任何需要更安全、更可靠的供电解决方案的计算机、通信和工业测控产品都有可能采用Power On Demand?-按需供电技术。在此基础上开发的电源管理模块(PMM),不仅会大大提升了系统产品的性能,而且会增强系统的可靠性和灵活性,直接和间接地降低系统的成本、降低系统的能耗,具有极大的市场价值和广阔的应用前景。

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