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AdvancedTCA或者縮寫ATCA意為先進電信計算架構，由PICMG 3.0委員會定義。符合ATCA的系統由一個或多個熱插拔線卡組成。符合AdvancedTCA標準的線卡也稱為現場可更換單元(FRU)，系統必須實現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構的實現，通過智能平臺管理總線IPMB，機架管理器(Shelf Manager)與FRU上的IPMC進行通信。FRU插入背板及打開載荷前(載荷是指在FRU中實現的特定應用功能)，電路板上的IPMC發送詳細的FRU卡信息至機架管理器。然后，機架管理器命令IPMC打開載荷。如果背板上插入了不正確的卡，管理器會命令IPMC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規范，所有的FRU應該實現基本的管理結構。本文闡述了ATCA電源分布結構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轉換器產生主載荷電源電壓 ( 通常為12V )。在電路板上，這個12V的總線產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，FET和隔離的DC/DC轉換器；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轉換器和負載點(POL)電源；電路板載荷。 PICMG 3.0標準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轉換器的工作取決于實際的載荷電路，但是這些并沒有在規范中涵蓋。 熱插拔控制器 Zone 1連接器的-48V通過一系列FET調整管為圖中顯示為“-48V隔離的DC/DC”的隔離DC/DC轉換器供電。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轉換器。隔離DC/DC轉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。根據機箱管理器發出的指令，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位FRU主處理器(CPU)，用冷復位還是熱復位。 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據記錄(SDR)的中央存儲區。ATCA定義了IPMC和管理器之間的通信協議(指令處理、數據結構、狀態機和SDR)，對所有ATCA FRU的實現都是通用的，而與載荷的功能無關系。 載荷電源管理控制器和載荷DC/DC轉換器 載荷電路決定了FRU中產生的電源電壓數目。載荷電源由載荷集成電路決定上電和關閉的時序。為了確保可靠的操作，對所有的電壓和電流都應該進行監控。發生故障時，監控信號應對電路板上的CPU發出報警信號，用IPMC記錄故障。在極端的情況下，應該關閉用于載荷的電源，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、裕度和調整；產生所有電源相關狀態和控制邏輯信號，即產生復位信號、指明過電壓、欠電壓和過電流(監控)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 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，還要監控器、復位產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：傳統的電源管理控制。 IPMC發出指令時，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這個塊。 12V總線開啟后，所有的DC/DC轉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。電路板調試過程中，這些要求會發生變化，通常用IPMC或者PLD實現時序算法，這樣就易于改變時序算法。 電路板完全上電后對電壓進行監控。發生電源故障時，在關閉整個電路板之前，中斷主處理器并安全地終止當前工作。電源故障警告信號送至IPMC，用以更新管理器。如果電源故障很嚴重，IPMC會決定關閉載荷電源。 在所有電源開啟之后，復位產生器的用途是對CPU復位。管理器發指令時，也許要求IPMC復位CPU。IPMC主要的用途是實現PICMG3.0規范平臺管理功能。為了符合規范，IPMC執行嚴格的協議、狀態機和預定義指令的譯碼。片上ADC用來測量電路板上所有的電源和電流，并存入SDR。 設計師經常使用IPMC微處理器提供的軟件靈活性實現規定的載荷電源管理(PPM)功能，例如載荷電源定序、出現電源故障或者過電流故障時，啟動關閉功能。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的主要功能是執行規定的PICMG 3.0平臺管理功能。應對IPMC軟件進行完全的測試以保證電路板滿足規范要求。一旦IPMC軟件被認證，對軟件的任何修改都要進行完全的測試。 要分別對每個FRU設計進行測試，以確保符合IPMC。這是很耗時的事，因為要按照標準進行重復測試。電源管理算法也許要進一步修改以滿足電路板上ASIC的新要求，這會導致修改IPMC軟件，并對是否符合IPMC再次測試。 在軟件中監控故障增加了軟件的開銷，也許會減慢微處理器對通信協議的響應。這個應用還要求微處理器擁有片上多通道模擬復用的高精度ADC。根據載荷的情況，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點，主要包括能夠縮短產品上市時間，快速適應工作環境的變化，降低成本，并增加軟件和硬件以及整個系統功能的可靠性。 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只執行平臺管理功能，指導Power1220實現所有的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)；可編程電源管理控制器(采用Power1220)；FRU載荷電路，DC/DC轉換器和MOSFET。 Power1220使用片內48個宏單元CPLD實現子模塊功能，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，這個功能由多個熱插拔控制器集成電路來實現。 片內PLD實現電源定序和跟蹤功能，控制所有DC/DC轉換器的開啟、關閉定序。在調試階段經常會改變定序算法，這可以通過改變狀態機的代碼來實現。 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提供多個數字反饋控制環和DAC支持多達8個DC/DC轉換器的調整和裕度。 用24個片上可編程閾值(典型值 0.2%)比較器監控多達12個電源過電壓和欠電壓故障。這個功能整合了許多監控集成電路的功能。因為每個比較器的閾值是可編程的，可用來監控各種電壓而無需外部的分壓器。復位產生器用相同的可編程閾值比較器產生CPU復位信號和片上定時器提供復位脈沖持續時間功能。 PPM的中斷命令塊將IPMC的命令轉成針對前面描述的每個塊的多個控制信號。例如，執行開啟電源指令要求下面一些功能：開啟電源(+12V)送至MOSFET；一旦電壓到達閾值，開啟DC/DC轉換器，針對該FRU遵循所要求的電源定序規則；倘若上電時電源有故障，立即關閉所有的電源并告知IPMC有故障；所有電源開啟后，產生冷復位；上電后，有時這個信號要求脈沖持續100毫秒；發送“成功”狀態響應至IPMC。 Power1220有24個可編程閾值比較器的12個模擬輸入、6個數字輸入、20個輸出(包括4個電荷泵MOSFET驅動器)、擁有8個數字閉環控制塊的8 DAC，以及片上可編程定時器以實現所有如圖3所示的PPM功能。 |
