《電子技術(shù)應(yīng)用》
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具有電流限制的多重轉(zhuǎn)換冗余電源系統(tǒng)
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摘要: ATCA 是第一個(gè)解決電信設(shè)備電源要求的開放性標(biāo)準(zhǔn)。就 ATCA 而言,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的電源管理挑戰(zhàn)包括有限的電流限制、高可用性冗余電源、熱插拔要求、故障保護(hù)以及復(fù)雜性的狀態(tài)監(jiān)控。在 TPS2359 以緊湊的 36 引腳 QFN 封裝實(shí)現(xiàn)了高精度電流限制電路、獨(dú)特的多重轉(zhuǎn)換特性以及所有必要的保護(hù)和監(jiān)控電路的整合以后,這些問題都迎刃而解了。TPS2358 具有所有相同的功能性,但占用了一個(gè) 48 引腳 QFN 封裝的面積,該封裝可支持使用外部控制和指示(而不是 I2C? 接口)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞: 電源管理 冗余電源 ATCA
Abstract:
Key words :

引言

高級電信計(jì)算架構(gòu) (ATCA) 標(biāo)準(zhǔn)提供了一種設(shè)計(jì)電信設(shè)備的模塊化方法。該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的采用不但加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)而且還簡化了現(xiàn)場升級。 在 ATCA 構(gòu)架中,每一個(gè) Carrier Blade 設(shè)備都要包括多達(dá) 8 個(gè) AMC 模塊,而這些模塊均需要熱插拔保護(hù)。載波板為每個(gè) AMC 模塊提供了兩個(gè)主要電源:一個(gè) 3.3V 管理電源以及一個(gè) 12V 有效負(fù)載電源。為了幫助設(shè)計(jì)人員滿足這些要求,我們設(shè)計(jì)了一款全功能雙插槽 AdvancedMC™ 控制器 TPS2359,以提供支持兩個(gè) AMC 模塊所必須的所有保護(hù)和監(jiān)控電路。該控制器全面集成了管理電源浪涌控制、過電流保護(hù)以及 FET ORing 功能。添加兩個(gè)外部電源晶體管可為每一個(gè)有效負(fù)載電源通道提供所有這些相同的功能。圖 1 顯示了雙通道 AMC 應(yīng)用的簡化結(jié)構(gòu)圖,兩個(gè)通道均由同一個(gè)電源供電。也可使用獨(dú)立的電源為這兩個(gè)通道供電。

圖 1 利用 TPS2359 雙通道控制器為兩個(gè) AdvancedMC 供電的應(yīng)用的簡化結(jié)構(gòu)圖該獨(dú)特的控制器集成了有效負(fù)載電源和管理電源通道的精確的電流限制功能。有效負(fù)載電源電流限制的每個(gè)通道使用三個(gè)外部電阻,以滿足 8.25A+/– 10% ATCA 規(guī)范。管理電源電流限制的每個(gè)通道使用一個(gè)外部電阻,以滿足 195mA +/– 15% 的規(guī)范。

高精度電流限制

圖 2 顯示了該控制器的有效負(fù)載電流限制電路的簡化結(jié)構(gòu)圖。放大器 A1 通過感應(yīng)檢測電阻器兩端的電壓來監(jiān)控負(fù)載電流 ILOAD。管理電源通道使用了相類似的電路,所不同的是集成了電阻器 RSENSE 和 RSET。

圖 2 有效負(fù)載電源電流限制電路示意圖電流限制電路包括兩個(gè)放大器:A1 和 A2。放大器 A1 使得外部電阻器 RSET 兩端的電壓與外部電阻器 RSENSE 兩端的電壓相等。流經(jīng) RSET 的電流同時(shí)也會流經(jīng)外部電阻器 RSUM,從而就在 SUMA 引腳上生成了一個(gè)如下式所示的電壓:

放大器 A2 會檢測 SUMA 引腳上的電壓。只要該電壓保持在 675mV 以下,放大器就會向 PASSA 供應(yīng) 30µA 的電流。當(dāng) SUMA 引腳上的電壓超過 675mV 時(shí),放大器 A2 就開始從 PASSA 吸收電流。導(dǎo)通 FET MPASS 的柵—源電壓會一直下降,直到放大器 A2 的兩個(gè)輸入端上的電壓平衡為止,則流經(jīng)該通道的電流就等于:

為了設(shè)置一個(gè) MicroTCA™ 規(guī)范所要求的 8.25A 電流限制,選擇 RSET = 417?。 最新的 EIA 標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻器為 422?。該電阻器使得系統(tǒng)可以為一個(gè) 80W AMC 模塊供電。有效負(fù)載和管理通道都有其自己的可編程默認(rèn)定時(shí)器。只要各自的通道進(jìn)入電流限制,則這些定時(shí)器就會開啟。如果一個(gè)通道處于電流限制狀態(tài)時(shí)間過長且默認(rèn)定時(shí)器超時(shí),該通道就會將導(dǎo)通 FET 關(guān)閉并報(bào)告錯(cuò)誤狀態(tài)。管理通道集成了一個(gè)過溫 過溫關(guān)斷 (OTSD) 特性。如果由于內(nèi)部導(dǎo)通電阻附近的裸片溫度超過了大約 140?C 管理通道保持在電流限制狀態(tài)的時(shí)間足夠長,那么 OTSD 特性就會發(fā)生跳變。一旦出現(xiàn)這種情況,運(yùn)行在電流限制狀態(tài)的管理通道就會關(guān)閉。這一特性避免了時(shí)間過長的故障對內(nèi)部導(dǎo)通晶體管的損壞。電流限制反饋環(huán)路具有特定的響應(yīng)時(shí)間。諸如短路負(fù)載之類的嚴(yán)重故障要求有一個(gè)快速的響應(yīng)以避免對導(dǎo)通 FET 的損壞或電壓軌電壓驟降。TPS2359 包括了一個(gè)快速跳變比較器,該比較器會在這些條件下關(guān)閉該通道(盡管在本文中未談及這一問題)。此外,該控制器還支持使用了一個(gè)更多阻斷 FET 的ORing 功能。這一特性可以阻斷當(dāng)輸出—輸入差動電壓超過 3mV 時(shí)的反向傳導(dǎo)。

多重轉(zhuǎn)換冗余

ATCA 系統(tǒng)通常都要求冗余并行電源。MicroTCA 規(guī)范倡導(dǎo)了一種冗余技術(shù) ,該技術(shù)需要一個(gè)微控制器來獨(dú)立限制每一個(gè)電源的電流。負(fù)載所吸引的電流不能超過各個(gè)電源電流限制之和。 一種可用的替代運(yùn)行模式是多重轉(zhuǎn)換冗余。無論工作電源的數(shù)量如何,其都可以將負(fù)載電流限制在一個(gè)固定值。在一個(gè)多重轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中去除或插入電源均不會影響負(fù)載的電流限制。該技術(shù)不需要微控制器,從而使得與上述 MicroTCA 標(biāo)準(zhǔn)中所描述的冗余方法相比顯得更簡單和快速。這對于要求不必完全符合 MicroTCA 電源模塊標(biāo)準(zhǔn)的 AMC 應(yīng)用而言是一個(gè)頗具吸引力的方法。

圖 3 有效負(fù)載電源電流限制使用多重轉(zhuǎn)換功能的應(yīng)用為了實(shí)施多重轉(zhuǎn)換冗余,將冗余通道的 SUM 引腳連接在一起,并在該節(jié)點(diǎn)到接地之間綁定一個(gè) RSUM 電阻器。不像 MicroTCA 冗余結(jié)構(gòu)那樣(在結(jié)構(gòu)中每一個(gè)電源都有其自己的電阻器 RSUM),RSUM 需要駐留在多重轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的背板之上。圖 3 顯示了有效負(fù)載電源使用多重轉(zhuǎn)換功能的一種應(yīng)用?,F(xiàn)在,電流限制閾值將適用于冗余電源所提供的電流的總和。在有效負(fù)載電源通道上實(shí)施多重轉(zhuǎn)換冗余時(shí),所有通道必須都使相同的 RSENSE 和 RSET 值。

結(jié)論

ATCA 是第一個(gè)解決電信設(shè)備電源要求的開放性標(biāo)準(zhǔn)。就 ATCA 而言,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的電源管理挑戰(zhàn)包括有限的電流限制、高可用性冗余電源、熱插拔要求、故障保護(hù)以及復(fù)雜性的狀態(tài)監(jiān)控。在 TPS2359 以緊湊的 36 引腳 QFN 封裝實(shí)現(xiàn)了高精度電流限制電路、獨(dú)特的多重轉(zhuǎn)換特性以及所有必要的保護(hù)和監(jiān)控電路的整合以后,這些問題都迎刃而解了。TPS2358 具有所有相同的功能性,但占用了一個(gè) 48 引腳 QFN 封裝的面積,該封裝可支持使用外部控制和指示(而不是 I2C™ 接口)的設(shè)計(jì)。

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