這些例子表明了在不影響系統(tǒng)性能和可靠性的前提下保持電容是可以被減少的。注意，這完全取決于系統(tǒng)設計者對于實際應用情況的知識和了解。當他了解了實際情況之后，系統(tǒng)設計者會同電源模塊廠家來討論和定義合適的保持時間。

　　對于滿足保持時間規(guī)范的成本影響又是如何呢？在本項目研究中電源模塊是工作在正常-48V系統(tǒng)帶電池備份的電壓下，即－54V，維持滿載情況下的10毫秒工作。在電源模塊中使用的電容是Nichicon 63V LS系列電解電容。占板面積為1100平方毫米，大約是整個PCB板的10％。保持電容的成本大概是2個成本單位。使用較少的保持電容對于成本降低貢獻較少，但對于減少器件的占板面積有正面作用。后者的優(yōu)點對于板上其他器件的設計擺放是有好處的。

　　另一個設計思路是并沒有被驗證過的，即在電源模塊的前級增加另外的電壓BOOST電路。這個BOOST電路可以使電容充電到一個較高的電壓，如－72V。這樣就必須選用高耐壓值的電容，同時可以減少電容的數量，因為儲存的能量同電容值電壓的平方是成比例的。另外，需要設計額外的BOOST電路

　　5.2 輸入電壓

　　另一個必須被系統(tǒng)設計者定義的因素是輸入電壓范圍。一個通用的原則是，要求的輸入電壓范圍越窄，那電源模塊在性能，效率和成本方面的表現就越優(yōu)。大多數情況下，對于電壓范圍在－40.5V到-57V之間的電信－48V系統(tǒng)，額定值在－54V。有些系統(tǒng)要求輸入電壓范圍應用在并不常用的－60V電信電源系統(tǒng)，因而要求輸入電壓范圍在－50V到－72V之間。在我們的研究中，我們對于僅僅用在－48V系統(tǒng)，或要求含蓋－48V和-60V系統(tǒng)的情況，從能和成本方面進行了分析。

　　輸入和保持電容當然必須工作在更高的輸入電壓，充電電壓范圍從63V到80V。高耐壓值電容意味著低容積率，因此在電源模塊內需要額外的容量和PCB面積。當工作在－60V系統(tǒng)時，保持電容的數量是會減少的，因為更多的能量儲存在高容值的電容中。但是既然研究分析是基于同時工作在－60V和-48V電源系統(tǒng)，就必須考慮最壞的情況。值得注意的是計算是基于80V電容，因此考慮設計裕量就必須選100V。

　　我們的研究結果如圖10所示。在表格中40.5－57V這一列的數據表示上文所述的基本設計。當電容改到80V耐壓值以適應－60V系統(tǒng)要求時，PCB面積和成本增加的情況在右列所示。另外需要大雪550平方毫米的PCB面積，同時電源模塊的成本大約增加0.5個成本單位。如果使用了前文所述的BOOST升壓電路，則這個分析結果是不適用的。

                          圖10 － 研究結果

　　我們同樣研究了最大輸入電壓對于電源模塊效率的影響。我們主要是測量了主要的48V 到12V 直流/直流變換器的效率。通常來說，低的輸入電壓意味著主開關管的額定電壓可降低，這樣阻抗和功耗會減少。拿PKM 4304B PI 隔離直流/直流變換器為例，主開關管采用了100V 的管子以適應－48V 和－60V 電源系統(tǒng)。如果在同樣的供應商和產品線中選擇60V 的管子來替代100V 的管子，這樣這個模塊只能支持－48V 系統(tǒng)。使用60V 的管子阻抗可降低2.5毫歐，則當電源模塊滿載時降低了0.3 瓦的功耗。結果如圖11 所示。

　　采用了60V 的管子后，在滿載時確實有功耗的降低，但是相對來說還是較小的。同時當在半載以下的情況，使用60V 的管子后效率反而降低了。效率曲線的外形改變主要由于電壓等級的不同，在這個電壓等級上低耐壓值開關管開關特性勝于實際的直流阻抗。如果再花費一些精力優(yōu)化一下使用60V 器件的電路，結果可能會不同。雖然如此，我們并不能得出結論，使用這個特定的器件在更寬的覆蓋－48V 和－60V 輸入電壓的情況下會對效率有負面影響。

                                   圖11 － PKM4304B PI和效率曲線

　　5.3 冗余

　　在MicroTCA規(guī)范中規(guī)定了在特定的應用場合，系統(tǒng)必須提供冗余的電源模塊以提高系統(tǒng)的可靠性。非常重要指出的是，作為冗余備份作用的電源模塊自然就比作為獨自工作的電源模塊更復雜和成本更高。對于那些不熟悉的人來說，首先介紹了對于MicroTCA有效載荷和管理電源通道進行電源備份的好處。然后將討論受冗余決定，有效載荷電源通道控制和直流/直流變換器性能影響的電源模塊設計思路。目的是讓OEM設計者了解尺寸，效率和成本對于冗余電源模塊的影響，確保當冗余功能是必須的時才會去設計它。當在不需要較高可靠性要求的系統(tǒng)時，不使用冗余模塊當然是可以接受的。

　　一個2＋1備份的MicroTCA電源模塊系統(tǒng)例子如圖12所示。在這個系統(tǒng)中，兩個電源模塊用來對總共16路輸出通道的有效載荷和管理供電。另外第三個電源模塊在正常情況下處于待機狀態(tài)，只有任一個模塊的任一通道發(fā)生故障時，它才工作。在MicroTCA規(guī)范中有非常詳盡的關于完成電源模塊冗余的要求。并不會使用電源并聯(lián)和均流技術，在任何情況下只有一個電源模塊給一個通道供電。如圖系統(tǒng)所示。電源模塊1只為1到8通道供電，電源模塊2只為9到16通道供電。冗余電源模塊3會給任一個通道供電，但只有在其中一個主電源模塊故障或下電。這個架構的建立使每個通道的可能過流電流被限制住了。如果兩個電源模塊并聯(lián)，則短路電流就可以加倍，從而導致系統(tǒng)背板和連接器由于過流而損壞。

                                 圖12 － 2＋1備份的MicroTCA電源模塊

　　MicroTCA規(guī)范要求任一電源模塊可以被系統(tǒng)作為要么是主電源模塊，要么是冗余電源模塊。具體任一電源模塊承擔什么角色是由MCH模塊才決定的，但是任一電源模塊不能同時承擔兩個角色。在主電源的任一個輸出通道故障時，冗余電源模塊就會成為主電源模塊，而不會僅僅是對故障的通道進行備份。故障的主電源模塊和冗余電源模塊之間的自動切換是通過設定它們的電壓來完成的。主電源模塊的輸出電壓設定值比冗余電源模塊高，一般分別為12.5V和11.5V。由于高輸出電壓的模塊給負載供電，因此這樣“或”設定就保證在主電源模塊故障時能進行瞬間自動切換。但這個技術的運用對于在冗余系統(tǒng)中使用的電源模塊（包括主電源模塊）電壓調整率提出了更苛刻的要求。在下節(jié)中我們將討論這個對于電源模塊設計的影響。

　　為了理解冗余對于電源模塊輸出通道控制的影響，非常容易地先看一下典型的沒有冗余電源模塊的情況，如圖13所示。圖中只是針對一個有效載荷通道的情況，但原理是相同的，因此在直流/直流變換器和EMMC控制器之外的所有有效載荷通道和管理通道的情況也是一樣的。由于管理電源通道的電流是很小的，因此并沒有設計的挑戰(zhàn)。集中在單一的有效載荷通道來進行討論。假定只有一個單路直流/直流變換器和一個EMMC模塊在一個電源模塊中，這個功能是被所有32路通道共享的。

　　在EMMC控制器，電流檢測電阻和輸出控制MOS管之間的框圖一般來說會是一個專用的熱插拔控制IC。通常這些IC芯片可以控制多路通道，因此對于32路通道可能需要多個IC芯片，但每個通道的功能是獨立的。在每個通道上有兩個串聯(lián)的半導體開關管。左邊的是導通器件，而右邊的是“或”器件。“或”器件防止電流從負載端倒灌入電源模塊中。導通器件用來使能或限制輸出電流，也用來限制對于熱插拔軟啟動電路電流和故障電流。

                       圖13 － 2＋1備份的MicroTCA電源模塊

　　由于這是一個非冗余電源模塊，它的輸出要么是開要么是關。就沒有設定它為待機狀態(tài)以便取代其它的電源模塊。也就是說兩個MOS管可以被同一個控制線路所驅動，如圖所示。這導致了非常簡單的實現方式，只有兩個控制線路（使能和工作正常），對于這個有效載荷電源通道只需要定義三個情況。這三個情況是：
　　· 通道關閉
　　· 通道開和工作
　　· 通道開但有故障

　　必須注意沒有冗余并不等于限制了在系統(tǒng)中的電源模塊數量?？梢允嵌鄠€電源模塊，但每個電源模塊只能同特定的AMC卡，冷卻模塊或MCH模塊工作，在故障時，電源模塊之間并沒有互相支援和影響。

　　典型的對于輸出通道進行冗余方法非常復雜，如圖14所示。電路原理時一樣的，但是多了一些聯(lián)路和控制狀態(tài)。EMMC模塊必須同12V的直流/直流變換器相連，這樣就可以根據這個電源模塊是被作為主電源模塊還是冗余電源模塊來對12V的直流/直流變換器的輸出電壓進行設定。在圖14中這種聯(lián)接方式舉例為采用電源管理總線（PMBusTM）。PMBus還同熱插拔控制器相連，以便得到從輸出通道進行數據采集的能力。在EMMC模塊和熱插拔控制單元之間也有控制線路，對于熱插拔控制芯片進行主/備份功能定義。請注意在實現冗余功能時，“或”器件是單獨被導通器件驅動的。如果某個特定的電源模塊被定義作為冗余備份，這個“或”器件就會被關閉。由于冗余直流/直流變換器的電壓設置較低，這個“或”器件的體二極管就反向偏置。在主電源模塊發(fā)生故障時，這個體二級管會自動正向導通，從而使冗余電源模塊輸出功
率。然后“或”器件會被控制邏輯打開以減少連接阻抗和降低損耗。

                           圖14 － 允許冗余運作時的有效載荷通道

　　所有一切為了實現冗余功能而導致了額外的復雜?，F在在EMMC控制器和熱插拔功能之間是四條控制線路而不是兩條。而被定義的控制狀態(tài)是七個而不是兩個。需要使用PMBus來連接直流/直流變換器。另外，當使用冗余時，限流精度將要求更高。相較于如圖13所示不使用冗余的設置情況，冗余的解決方案需要額外增加300平方毫米的PCB面積來放置這些電路。這將是接近電源模塊PCB面積的2.5％。相對于非冗余的電源模塊來說，冗余電源模塊解決方案將增加10個成本單位。這個估計是基于16個有效載荷通道的。對于低電流的管理管道來說，這個影響是可以忽略的。同時需注意的是上述評估是基于2006年時的熱插拔器件的價格情況作出的。如今由于半導體廠家針對現在的MicroTCA市場開發(fā)出了更多高集成度和靈活的通道控制器件，因此上述評估的結果可能會有變化。另外從成本角度來看，相對于非冗余的系統(tǒng)，冗余系統(tǒng)當然至少需要增加一個電源模塊。

　　我們現在來檢驗冗余對于12V直流/直流變換器的影響。在基本的MicroTCA規(guī)范中定義了AMC模塊的輸入電壓精度范圍為10V到14V。既然允許負載模塊工作在這個電壓范圍內的任一點，對于非冗余系統(tǒng)來說，12V直流/直流變化器的輸出精度可以是正負10％。在冗余系統(tǒng)中，這就是一個挑戰(zhàn)了。為了使主電源模塊和冗余電源模塊電壓保持壓差又不重合，同時又都必須滿足AMC模塊規(guī)定的電壓允許范圍，因此對于主電源模塊的電壓精度范圍就為12.25V到12.95V，而冗余電源模塊的電壓精度范圍為11.6V到12.0V。這個精度范圍包含了源和負載調整率以及溫度調整率。這意味著在冗余系統(tǒng)中，電源模塊內的直流/直流變換器的電壓精度范圍只能是正負2％。輸出電壓精度范圍從正負10％變化到正負2％，對于變換器的設計有極大的影響。