多重转换：冗余电源系统电流限制的一种新方法

　　引言

　　电信计算架构(ATCA)标准提供了一种设计电信设备的模块化方法。该行业标准的采用不但加速了产品设计而且还简化了现场升级。

　　在ATCA构架中，每一个Carrier Blade设备都要包括多达8个AMC模块，而这些模块均需要热插拔保护。载波板为每个AMC模块提供了两个主要电源：一个3.3V管理电源以及一个12V有效负载电源。

　　为了帮助设计人员满足这些要求，我们设计了一款全功能双插槽AdvancedMC控制器TPS2359，以提供支持两个AMC模块所必须的所有保护和监控电路。该控制器全面集成了管理电源浪涌控制、过电流保护以及FET ORing功能。添加两个外部电源晶体管可为每一个有效负载电源通道提供所有这些相同的功能。图 1 显示了双通道 AMC 应用的简化结构图，两个通道均由同一个电源供电。也可使用独立的电源为这两个通道供电。

　　图1.利用TPS2359双通道控制器为两个AdvancedMC供电的应用的简化结构图

　　该独特的控制器集成了有效负载电源和管理电源通道的的电流限制功能。有效负载电源电流限制的每个通道使用三个外部电阻，以满足8.25A±10% ATCA规范。管理电源电流限制的每个通道使用一个外部电阻，以满足195mA±15%的规范。

　　高电流限制

　　图 2 显示了该控制器的有效负载电流限制电路的简化结构图。放大器A1通过感应检测电阻器两端的电压来监控负载电流ILOAD。管理电源通道使用了相类似的电路，所不同的是集成了电阻器RSENSE和RSET。

　　图2.有效负载电源电流限制电路示意图

　　电流限制电路包括两个放大器：A1和A2。放大器A1使得外部电阻器RSET两端的电压与外部电阻器RSENSE两端的电压相等。流经RSET的电流同时也会流经外部电阻器RSUM，从而就在SUMA引脚上生成了一个如下式所示的电压：

　　图3

　　放大器A2会检测SUMA引脚上的电压。只要该电压保持在675mV以下，放大器就会向PASSA供应30μA的电流。当SUMA引脚上的电压超过675mV时，放大器A2就开始从PASSA吸收电流。导通FET MPASS的栅—源电压会一直下降，直到放大器A2的两个输入端上的电压平衡为止，则流经该通道的电流就等于：

　　图4

　　为了设置一个MicroTCA规范所要求的8.25A电流限制，选择的EIA标准1%电阻器为RSET = 417。该电阻器使得422系统可以为一个80W AMC模块供电。

　　有效负载和管理通道都有其自己的可编程默认定时器。只要各自的通道进入电流限制，则这些定时器就会开启。如果一个通道处于电流限制状态时间过长且默认定时器超时，该通道就会将导通C FET关闭并错误状态。管理通道集成了一个过温关断(OTSD)特性。如果由于内部导通电阻附近的裸片温度超过了大约140管理通道保持在电流限制状态的时间足够长，那么OTSD特性就会发生跳变。一旦出现这种情况，运行在电流限制状态的管理通道就会关闭。这一特性避免了时间过长的故障对内部导通晶体管的损坏。

　　电流限制反馈环路具有特定的响应时间。诸如短路负载之类的严重故障要求有一个快速的响应以避免对导通 FET 的损坏或电压轨电压骤降。TPS2359包括了一个快速跳变比较器，该比较器会在这些条件下关闭该通道（尽管在本文中未谈及这一问题）。此外，该控制器还支持使用了一个更多阻断FET的ORing功能。这一特性可以阻断当输出—输入差动电压超过3mV时的反向传导。

　　多重转换冗余

　　ATCA系统通常都要求冗余并行电源。MicroTCA规范倡导了一种冗余技术，该技术需要一个微控制器来独立限制每一个电源的电流。负载所吸引的电流不能超过各个电源电流限制之和。

　　一种可用的替代运行模式是多重转换冗余。无论工作电源的数量如何，其都可以将负载电流限制在一个固定值。在一个多重转换系统中去除或插入电源均不会影响负载的电流限制。该技术不需要微控制器，从而使得与上述MicroTCA标准中所描述的冗余方法相比显得更简单和快速。这对于要求不必完全符合MicroTCA电源模块标准的AMC应用而言是一个颇具吸引力的方法。

　　图5.有效负载电源电流限制使用多重转换功能的应用

　　为了实施多重转换冗余，将冗余通道的SUM引脚连接在一起，并在该节点到接地之间绑定一个 RSUM 电阻器。不像MicroTCA冗余结构那样（在结构中每一个电源都有其自己的电阻器RSUM），RSUM需要驻留在多重转换结构的背板之上。图5显示了有效负载电源使用多重转换功能的一种应用。现在，电流限制阈值将适用于冗余电源所提供的电流的总和。在有效负载电源通道上实施多重转换冗余时，所有通道必须都使相同的RSENSE和RSET值。

　　结论

　　ATCA是个解决电信设备电源要求的开放性标准。就ATCA而言，系统设计人员所面临的电源管理挑战包括有限的电流限制、高可用性冗余电源、热插拔要求、故障保护以及复杂性的状态监控。在TPS2359以紧凑的36引脚QFN封装实现了高电流限制电路、独特的多重转换特性以及所有必要的保护和监控电路的整合以后，这些问题都迎刃而解了。TPS2358具有所有相同的功能性，但占用了一个48引脚QFN封装的面积，该封装可支持使用外部控制和指示（而不是I2C接口）的设计。（德州仪器）