|
AdvancedTCA或者縮寫ATCA意為先進(jìn)電信計算架構(gòu)，由PICMG 3.0委員會定義。符合ATCA的系統(tǒng)由一個或多個熱插拔線卡組成。符合AdvancedTCA標(biāo)準(zhǔn)的線卡也稱為現(xiàn)場可更換單元(FRU)，系統(tǒng)必須實現(xiàn)一些基本的管理功能，例如電源輸入、冷卻及互連要求。電路板上的微控制器實現(xiàn)所有這些管理功能，這個微控制器稱為智能平臺管理控制器(IPMC)。 PICMG 3.0還定義了分層管理結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，通過智能平臺管理總線IPMB，機架管理器(Shelf Manager)與FRU上的IPMC進(jìn)行通信。FRU插入背板及打開載荷前(載荷是指在FRU中實現(xiàn)的特定應(yīng)用功能)，電路板上的IPMC發(fā)送詳細(xì)的FRU卡信息至機架管理器。然后，機架管理器命令I(lǐng)PMC打開載荷。如果背板上插入了不正確的卡，管理器會命令I(lǐng)PMC不要打開載荷，這樣就保護了其他的FRU。 為了符合ATCA，按照PICMG 3.0規(guī)范，所有的FRU應(yīng)該實現(xiàn)基本的管理結(jié)構(gòu)。本文闡述了ATCA電源分布結(jié)構(gòu)和用平臺管理整合載荷電源管理的方法。 FRU電源 圖1為在FRU中電源分布安排的實例。大多數(shù)FRU有兩個連接器，稱為Zone 1連接器和Zone 2連接器。Zone 1連接器為FRU提供-48V電源。Zone 2連接器用于內(nèi)部FRU載荷通信。Zone 1連接器還能連接到智能平臺管理總線 (IPMB)。IPMB是基于I2C總線的規(guī)范。 圖1：FRU中的主電源分布。 背板提供的-48V電源通過隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生主載荷電源電壓 ( 通常為12V )。在電路板上，這個12V的總線產(chǎn)生所有指定的載荷電壓。通過管理電源12V為IPMC供電。 圖1展示了在ATCA FRU中控制電源分布的4個主要塊：熱插拔控制器，F(xiàn)ET和隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器；智能平臺管理控制器 (IPMC)管理電源；載荷電源管理控制器，載荷DC/DC轉(zhuǎn)換器和負(fù)載點(POL)電源；電路板載荷。 PICMG 3.0標(biāo)準(zhǔn)指定了熱插拔控制器和IPMC的功能。然而，載荷電源管理控制器或者DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作取決于實際的載荷電路，但是這些并沒有在規(guī)范中涵蓋。 熱插拔控制器 Zone 1連接器的-48V通過一系列FET調(diào)整管為圖中顯示為“-48V隔離的DC/DC”的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。FRU插入機箱背板時，熱插拔控制器控制浪涌電流。浪涌電流發(fā)生后，熱插拔控制器打開-48V電源，通過開啟FET全部送入 隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器為載荷和管理控制電路分別提供12V 和3.3V電壓。 智能平臺管理控制器 智能平臺管理控制器(IPMC)是一種微控制器，用來控制至電路板載荷的電源、管理電路板互連和冷卻需求。FRU插入背板時，IPMC首先與管理器通信。根據(jù)機箱管理器發(fā)出的指令，通過載荷電源管理控制器，IPMC控制送到載荷的電源。此外，管理器還可以決定是否復(fù)位FRU主處理器(CPU)，用冷復(fù)位還是熱復(fù)位。 IPMC還會測量各種電源電壓、電流、溫度，并把它們存入稱為傳感器數(shù)據(jù)記錄(SDR)的中央存儲區(qū)。ATCA定義了IPMC和管理器之間的通信協(xié)議(指令處理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)機和SDR)，對所有ATCA FRU的實現(xiàn)都是通用的，而與載荷的功能無關(guān)系。 載荷電源管理控制器和載荷DC/DC轉(zhuǎn)換器 載荷電路決定了FRU中產(chǎn)生的電源電壓數(shù)目。載荷電源由載荷集成電路決定上電和關(guān)閉的時序。為了確保可靠的操作，對所有的電壓和電流都應(yīng)該進(jìn)行監(jiān)控。發(fā)生故障時，監(jiān)控信號應(yīng)對電路板上的CPU發(fā)出報警信號，用IPMC記錄故障。在極端的情況下，應(yīng)該關(guān)閉用于載荷的電源，以免損壞整個電路板。 載荷電源管理控制器的功能如下：管理電路板上的DC/DC控制器，即軟啟動、定序、跟蹤、裕度和調(diào)整；產(chǎn)生所有電源相關(guān)狀態(tài)和控制邏輯信號，即產(chǎn)生復(fù)位信號、指明過電壓、欠電壓和過電流(監(jiān)控)和電壓電流測量；針對ATCA，控制送入的主電源；針對AMC，短路電流保護和送入AMC的電源。 典型的載荷電源管理控制器實現(xiàn) 平均來說，ATCA FRU有6到10個電壓。上面列出的電源管理功能會很復(fù)雜，通常需要一個PLD或一個微控制器，除單功能電源管理集成電路，還要監(jiān)控器、復(fù)位產(chǎn)生器和熱插拔控制器。圖2展示了典型的電源管理控制器塊。在圖的左上方為主電源(+12V)。 圖2：傳統(tǒng)的電源管理控制。 IPMC發(fā)出指令時，載荷電源控制塊開啟載荷電路電源。這個塊還控制送入AMC的電源。通常用若干個熱插拔控制器集成電路實現(xiàn)這個塊。 12V總線開啟后，所有的DC/DC轉(zhuǎn)換器都用一個方式打開，即滿足載荷電路的定序或跟蹤需求。電路板調(diào)試過程中，這些要求會發(fā)生變化，通常用IPMC或者PLD實現(xiàn)時序算法，這樣就易于改變時序算法。 電路板完全上電后對電壓進(jìn)行監(jiān)控。發(fā)生電源故障時，在關(guān)閉整個電路板之前，中斷主處理器并安全地終止當(dāng)前工作。電源故障警告信號送至IPMC，用以更新管理器。如果電源故障很嚴(yán)重，IPMC會決定關(guān)閉載荷電源。 在所有電源開啟之后，復(fù)位產(chǎn)生器的用途是對CPU復(fù)位。管理器發(fā)指令時，也許要求IPMC復(fù)位CPU。IPMC主要的用途是實現(xiàn)PICMG3.0規(guī)范平臺管理功能。為了符合規(guī)范，IPMC執(zhí)行嚴(yán)格的協(xié)議、狀態(tài)機和預(yù)定義指令的譯碼。片上ADC用來測量電路板上所有的電源和電流，并存入SDR。 設(shè)計師經(jīng)常使用IPMC微處理器提供的軟件靈活性實現(xiàn)規(guī)定的載荷電源管理(PPM)功能，例如載荷電源定序、出現(xiàn)電源故障或者過電流故障時，啟動關(guān)閉功能。在某些情況下，微處理器可通過DAC修整電源。 載荷電源管理中IPMC的缺點 如前所述，IPMC的主要功能是執(zhí)行規(guī)定的PICMG 3.0平臺管理功能。應(yīng)對IPMC軟件進(jìn)行完全的測試以保證電路板滿足規(guī)范要求。一旦IPMC軟件被認(rèn)證，對軟件的任何修改都要進(jìn)行完全的測試。 要分別對每個FRU設(shè)計進(jìn)行測試，以確保符合IPMC。這是很耗時的事，因為要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重復(fù)測試。電源管理算法也許要進(jìn)一步修改以滿足電路板上ASIC的新要求，這會導(dǎo)致修改IPMC軟件，并對是否符合IPMC再次測試。 在軟件中監(jiān)控故障增加了軟件的開銷，也許會減慢微處理器對通信協(xié)議的響應(yīng)。這個應(yīng)用還要求微處理器擁有片上多通道模擬復(fù)用的高精度ADC。根據(jù)載荷的情況，由于電源管理增加了代碼長度，或許必須使用增加存儲資源的更加貴的微處理器。 ATCA FRU模塊化電源管理 模塊化ATCA FRU電源管理具有許多優(yōu)點，主要包括能夠縮短產(chǎn)品上市時間，快速適應(yīng)工作環(huán)境的變化，降低成本，并增加軟件和硬件以及整個系統(tǒng)功能的可靠性。 圖3的解決方案是對圖2所示的電源管理控制的修改。在此方案中，IPMC只執(zhí)行平臺管理功能，指導(dǎo)Power1220實現(xiàn)所有的PPM功能。 圖3 模塊化ATCA FRU電源管理：IPMC + Power1220。 這個方塊圖分成3個部分：IPMC(用微控制器實現(xiàn))；可編程電源管理控制器(采用Power1220)；FRU載荷電路，DC/DC轉(zhuǎn)換器和MOSFET。 Power1220使用片內(nèi)48個宏單元CPLD實現(xiàn)子模塊功能，如圖中的FRU載荷電源管理 Power1220所示。送入子模塊載荷電源直接控制MOSFET的開啟或關(guān)閉。ATCA電路板的典型功耗是100W或更多一些。為了滿足電源要求，12V的總線應(yīng)該能夠提供8A的電流。為了確保大電流通過，PPM必須使MOSFET工作在安全區(qū)，這個功能由多個熱插拔控制器集成電路來實現(xiàn)。 片內(nèi)PLD實現(xiàn)電源定序和跟蹤功能，控制所有DC/DC轉(zhuǎn)換器的開啟、關(guān)閉定序。在調(diào)試階段經(jīng)常會改變定序算法，這可以通過改變狀態(tài)機的代碼來實現(xiàn)。 用片上的10位ADC并通過I2C 總線，IPMC能測量所有的電壓和電流。Power1220提供多個數(shù)字反饋控制環(huán)和DAC支持多達(dá)8個DC/DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)整和裕度。 用24個片上可編程閾值(典型值 0.2%)比較器監(jiān)控多達(dá)12個電源過電壓和欠電壓故障。這個功能整合了許多監(jiān)控集成電路的功能。因為每個比較器的閾值是可編程的，可用來監(jiān)控各種電壓而無需外部的分壓器。復(fù)位產(chǎn)生器用相同的可編程閾值比較器產(chǎn)生CPU復(fù)位信號和片上定時器提供復(fù)位脈沖持續(xù)時間功能。 PPM的中斷命令塊將IPMC的命令轉(zhuǎn)成針對前面描述的每個塊的多個控制信號。例如，執(zhí)行開啟電源指令要求下面一些功能：開啟電源(+12V)送至MOSFET；一旦電壓到達(dá)閾值，開啟DC/DC轉(zhuǎn)換器，針對該FRU遵循所要求的電源定序規(guī)則；倘若上電時電源有故障，立即關(guān)閉所有的電源并告知IPMC有故障；所有電源開啟后，產(chǎn)生冷復(fù)位；上電后，有時這個信號要求脈沖持續(xù)100毫秒；發(fā)送“成功”狀態(tài)響應(yīng)至IPMC。 Power1220有24個可編程閾值比較器的12個模擬輸入、6個數(shù)字輸入、20個輸出(包括4個電荷泵MOSFET驅(qū)動器)、擁有8個數(shù)字閉環(huán)控制塊的8 DAC，以及片上可編程定時器以實現(xiàn)所有如圖3所示的PPM功能。 |
