ATCA和MicroTCA标准引发集成

ATCA和MicroTCA标准引发集成

引言
为了顺应计算、通信以及工业市场在技术方面的快速进展，PCI 工业计算机制造集团 (PICMG®) 开发出了高级电信计算架构 (ATCA) 和 MicroTCA (μTCA、uTCA、MTCA 或 mTCA) 开放式标准，该标准现在已被广泛采用。2005 年 PICMG® 就采用了该标准，其中规定了关于机械、机架管理 (shelf management)、配电、散热以及连接器的要求。

减少旧系统的开发工作并降低成本是催生这些标准的主要原因，因为这些旧系统的实施与要求会随不同的应用以及不同的厂商而有所不同。由于更广泛地采用了新的开放式标准，从而为系统开发商和电信设备制造商 (TEM) 创造了许多商机。一般的标准做法是开发高度集成的硅芯片解决方案，以便简化设计并提升性能，同时降低板级空间要求、降低成本并加速产品上市进程。ATCA 及 MicroTCA 标准目前正备受 TEMS、网络设备提供商、通信系统集成商以及子系统制造商的青睐。

此外，PICMG® 还规定了一种称为 AdvancedMC 的规范，这是一种夹层子卡模块，该模块能够扩展、新增或升级 ATCA 载波卡的功能。AdvancedMC 模块可以集成数字信号处理器 (DSP)、微处理器、可编程硬盘驱动、通信组件或任何可用于此类系统的连接组件。事实上，该模块可集成用户所需要的所有功能，对于需要高可靠性和扩展性的系统而言，该模块尤其有用。此外，该模块还可用来扩展功能或扩展冗余。根据标准的定义，ATCA 载波卡最多可支持 8 个 AdvancedMC 模块（请参见图 1）。
 
图 1 典型的 ATCA 载波卡

MicroTCA 是 PICMG® 补充标准，其允许在分布式系统中使用 AdvancedMC 子卡模块。MicroTCA 专门优化用于要求更小外形尺寸和更低成本的系统。在 MicroTCA 中，最多可以将 16 个模块直接插入背板，整个架构所集成的 16 个模块如下：12 个具备所需功能的 AdvancedMC、2 个 MicroTCA 载波集线器 (MCH) 及 2 个制冷装置。图 2 显示了具有 8 个模块的 MicroTCA 载波集线器。
 
图 2 MicroTCA 模块

热插拔功能
PICMG® 标准针对各个 AdvancedMC 模块的 –48V、12V 主有效负载电源及 3.3V 管理电源轨规定了热插拔电源管理要求，其中包括浪涌电流限制、电流限制保护以及 ORing 控制。PICMG® 标准将 12V 电源轨定义为最大功率输出为 80W 的有效负载电源 (PWR) 通道，而实际的功率输出限制取决于个别的模块设计。3.3V 电源轨则被定义为电流上限为 150mA 的管理电源 (MP) 通道。各个模块都需要有电流限制的功能，以避免瑕疵的 AdvancedMC 载波卡造成系统的其他部分故障。

在专用系统中，以及在 ATCA 和 MicroTCA 被广泛采用之前，这些要求依系统而异，并且一般都是针对各个电源轨使用分立热插拔控制器和 ORing FET 控制器。由于各个解决方案都各不相同，因此要想创建通用的热插拔控制架构来简化整体解决方案是一大难题。下面将举例说明该标准如何协助简化热插拔及 ORing 控制。由于 MicroTCA 系统设计旨在容纳 12 个 AdvancedMC、2 个 MCH 以及 2 个制冷装置，因此总共需要 32 个独立的热插拔控制器，或具有电流限制的 16 个 12V 热插拔通道和 16 个 3.3V 热插拔通道。在冗余系统中，ORing MOSFET 控制系统可用来取代 ORing 二极管，以降低高电流 12V 有效负载电源通道的功耗。这些系统另外还需要 16 个 ORing FET 控制器，因此总共需要 64 个集成电路才能发挥所需的功能。在加入外部热插拔 MOSFET、ORing 二极管以及用来设定热插拔控制器的电流限制、定时器、欠压锁定和其他参数的无源组件之后，实施所必备的组件超过 465 个以上，而支持这 16 个插槽所需的组件空间则需要占用 3000 mm2 以上的板级空间。

标准化能够开发出简化的解决方案来控制热插拔、ORing 控制以及电流限制。在 ATCA/MicroTCA 标准问世以前，各种要求和工作条件使得集成的热插拔电源管理器的设计显得效率低下且不实用。为了满足电路板以及极为不同的工作要求，过去一直都采用一般性的解决方案来满足系统要求，以至于牺牲了性能和成本效益。因此，设计这些分立式热插拔系统给系统设计人员带来了的巨大挑战和压力。

在迅速地扩大采用 ATCA 及 MicroTCA 之后，设计人员则面临智能型集成在严格的要求与时机方面的挑战。如图 3 所示，TPS2359 是一款双插槽 AdvancedMC 热插拔控制器，这类器件都是通过一个集成电路进行多个通道的控制和热插拔功能的。

TPS2359 能够进行两个 AdvancedMC 插槽的全面电源控制，并且完全符合 AdvancedMC 标准。该器件可通过热插拔和 ORing FET 控制来控制 12V PWR 和 MP 两个通道。低电流 MP 通道都是通过集成的 MOSFET 和电流分流进行内部处理，而 PWR 通道则使用外部 MOSFET 以实现最佳的整体系统解决方案。
 
图 3 TPS2359 双插槽控制器

通过直接控制各个 PWR 和 MP 通道，TPS2359 可充分利用智能型平台管理总线 (IPMB) 所需的 I2C 接口，并且可以针对电流限制、故障时间及电源良好阀值调整等对其进行编程。各个通道都有 6 个可通过 I2C 进行读取的状态位，这些位会指出电源良好、短暂过电流、故障、快速跳变 (fast trip) 、热插拔 FET 状态，以及 ORing FET 状态。电源良好、热插拔及 ORing FET 状态能使系统得知通道的运行一切正常。I2C 接口增加了系统的灵活性，以构建有助于预测系统行为及故障的历史记录。这种可编程性免去了使用外部组件的麻烦，从而进一步简化了设计流程，缩小了解决方案的尺寸并降低了成本。6 x 6 mm 的 36 引脚 QFN 封装大大降低了所需的板级空间。

相较于前面探讨的分立式 16 插槽 MicroTCA 系统实施，基于 TPS2359 的实施则能够将热插拔/ORing IC 的数量从 48 个降低至可管理的 8 个可寻址控制器。集成 3.3V 通道的热插拔 MOSFET 并使用 I2C 来设定关键参数有助于将组件的总数减少一半以上，也就是从必须的 465 个以上的组件数量减少为总共不到 200 个组件。在所需的物理空间方面，解决方案的尺寸则从 2200 mm2 缩小为 1300 mm2 以下，而且功能更加提升。对于有限的特定 AdvancedMC 电源接口而言，如此高度的集成度还增加了完全符合其要求的优势。为了进一步量化这一优势，TPS2359 电流限制电路的精度仅需要使用 1% 的电流容差外部电阻便能够同时满足 12V 通道对 ±10% 电流限制的要求。其他兼容的解决方案则无法达到如此高的集成度和精度。

总结
采用 ATCA 和 MicroTCA 标准可以允许我们开发出简化的电源接口解决方案。各个特定基础架构下的专用解决方案具备不同的要求，若不采用 ATCA/MicroTCA，这些要求将阻碍新技术的开发。也就是说，一项新技术必须开发出多种专用解决方案才能进行部署。采用了 ATCA/MicroTCA 标准之后，即可去除这个障碍，从而快速地部署新技术。为了达到这个目的，我们开发出了与 ATCA/MicroTCA AdvancedMC 完全兼容的双插槽热插拔控制器 TPS2359。该控制器降低了组件数量和尺寸，从而节省了宝贵的电路板空间，同时还增加了 ATCA/MicroTCA 标准所设定的准确控制限制。I2C 接口仅需要最低数量的外部组件，而且能够增加灵活性和高级系统的管理功能。