模块化的ATCA FRU电源管理架构分析

PICMG 3.0还定义了分层管理结构的实现，通过智能平台管理总线IPMB，机架管理器(Shelf Manager)与FRU上的IPMC进行通信。FRU插入背板及打开载荷前(载荷是指在FRU中实现的特定应用功能)，电路板上的IPMC发送详细的FRU卡信息至机架管理器。然后，机架管理器命令IPMC打开载荷。如果背板上插入了不正确的卡，管理器会命令IPMC不要打开载荷，这样就保护了其他的FRU。

为了符合ATCA，按照PICMG 3.0规范，所有的FRU应该实现基本的管理结构。本文阐述了ATCA电源分布结构和用平台管理整合载荷电源管理的方法。

FRU电源

图1为在FRU中电源分布安排的实例。大多数FRU有两个连接器，称为Zone 1连接器和Zone 2连接器。Zone 1连接器为FRU提供-48V电源。Zone 2连接器用于内部FRU载荷通信。Zone 1连接器还能连接到智能平台管理总线 (IPMB)。IPMB是基于I²C总线的规范。

图1：FRU中的主电源分布。

背板提供的-48V电源通过隔离的DC/DC转换器产生主载荷电源电压 ( 通常为12V )。在电路板上，这个12V的总线产生所有指定的载荷电压。通过管理电源12V为IPMC供电。

图1展示了在ATCA FRU中控制电源分布的4个主要块：热插拔控制器，FET和隔离的DC/DC转换器；智能平台管理控制器 (IPMC)管理电源；载荷电源管理控制器，载荷DC/DC转换器和负载点(POL)电源；电路板载荷。

PICMG 3.0标准指定了热插拔控制器和IPMC的功能。然而，载荷电源管理控制器或者DC/DC转换器的工作取决于实际的载荷电路，但是这些并没有在规范中涵盖。

热插拔控制器

Zone 1连接器的-48V通过一系列FET调整管为图中显示为“-48V隔离的DC/DC”的隔离DC/DC转换器供电。FRU插入机箱背板时，热插拔控制器控制浪涌电流。浪涌电流发生后，热插拔控制器打开-48V电源，通过开启FET全部送入 隔离DC/DC转换器。隔离DC/DC转换器为载荷和管理控制电路分别提供12V 和3.3V电压。

智能平台管理控制器

智能平台管理控制器(IPMC)是一种微控制器，用来控制至电路板载荷的电源、管理电路板互连和冷却需求。FRU插入背板时，IPMC首先与管理器通信。根据机箱管理器发出的指令，通过载荷电源管理控制器，IPMC控制送到载荷的电源。此外，管理器还可以决定是否复位FRU主处理器(CPU)，用冷复位还是热复位。

IPMC还会测量各种电源电压、电流、温度，并把它们存入称为传感器数据记录(SDR)的中央存储区。ATCA定义了IPMC和管理器之间的通信协议(指令处理、数据结构、状态机和SDR)，对所有ATCA FRU的实现都是通用的，而与载荷的功能无关系。

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载荷电源管理控制器和载荷DC/DC转换器

载荷电路决定了FRU中产生的电源电压数目。载荷电源由载荷集成电路决定上电和关闭的时序。为了确保可靠的操作，对所有的电压和电流都应该进行监控。发生故障时，监控信号应对电路板上的CPU发出报警信号，用IPMC记录故障。在极端的情况下，应该关闭用于载荷的电源，以免损坏整个电路板。

载荷电源管理控制器的功能如下：管理电路板上的DC/DC控制器，即软启动、定序、跟踪、裕度和调整；产生所有电源相关状态和控制逻辑信号，即产生复位信号、指明过电压、欠电压和过电流(监控)和电压电流测量；针对ATCA，控制送入的主电源；针对AMC，短路电流保护和送入AMC的电源。

典型的载荷电源管理控制器实现

平均来说，ATCA FRU有6到10个电压。上面列出的电源管理功能会很复杂，通常需要一个PLD或一个微控制器，除单功能电源管理集成电路，还要监控器、复位产生器和热插拔控制器。图2展示了典型的电源管理控制器块。在图的左上方为主电源(+12V)。

图2：传统的电源管理控制。

IPMC发出指令时，载荷电源控制块开启载荷电路电源。这个块还控制送入AMC的电源。通常用若干个热插拔控制器集成电路实现这个块。

12V总线开启后，所有的DC/DC转换器都用一个方式打开，即满足载荷电路的定序或跟踪需求。电路板调试过程中，这些要求会发生变化，通常用IPMC或者PLD实现时序算法，这样就易于改变时序算法。

电路板完全上电后对电压进行监控。发生电源故障时，在关闭整个电路板之前，中断主处理器并安全地终止当前工作。电源故障警告信号送至IPMC，用以更新管理器。如果电源故障很严重，IPMC会决定关闭载荷电源。

在所有电源开启之后，复位产生器的用途是对CPU复位。管理器发指令时，也许要求IPMC复位CPU。IPMC主要的用途是实现PICMG3.0规范平台管理功能。为了符合规范，IPMC执行严格的协议、状态机和预定义指令的译码。片上ADC用来测量电路板上所有的电源和电流，并存入SDR。

设计师经常使用IPMC微处理器提供的软件灵活性实现规定的载荷电源管理(PPM)功能，例如载荷电源定序、出现电源故障或者过电流故障时，启动关闭功能。在某些情况下，微处理器可通过DAC修整电源。

载荷电源管理中IPMC的缺点

如前所述，IPMC的主要功能是执行规定的PICMG 3.0平台管理功能。应对IPMC软件进行完全的测试以保证电路板满足规范要求。一旦IPMC软件被认证，对软件的任何修改都要进行完全的测试。

要分别对每个FRU设计进行测试，以确保符合IPMC。这是很耗时的事，因为要按照标准进行重复测试。电源管理算法也许要进一步修改以满足电路板上ASIC的新要求，这会导致修改IPMC软件，并对是否符合IPMC再次测试。

在软件中监控故障增加了软件的开销，也许会减慢微处理器对通信协议的响应。这个应用还要求微处理器拥有片上多通道模拟复用的高精度ADC。根据载荷的情况，由于电源管理增加了代码长度，或许必须使用增加存储资源的更加贵的微处理器。

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ATCA FRU模块化电源管理

模块化ATCA FRU电源管理具有许多优点，主要包括能够缩短产品上市时间，快速适应工作环境的变化，降低成本，并增加软件和硬件以及整个系统功能的可靠性。

图3的解决方案是对图2所示的电源管理控制的修改。在此方案中，IPMC只执行平台管理功能，指导Power1220实现所有的PPM功能。

图3 模块化ATCA FRU电源管理：IPMC + Power1220。

这个方块图分成3个部分：IPMC(用微控制器实现)；可编程电源管理控制器(采用Power1220)；FRU载荷电路，DC/DC转换器和MOSFET。

Power1220使用片内48个宏单元CPLD实现子模块功能，如图中的FRU载荷电源管理 Power1220所示。送入子模块载荷电源直接控制MOSFET的开启或关闭。ATCA电路板的典型功耗是100W或更多一些。为了满足电源要求，12V的总线应该能够提供8A的电流。为了确保大电流通过，PPM必须使MOSFET工作在安全区，这个功能由多个热插拔控制器集成电路来实现。

片内PLD实现电源定序和跟踪功能，控制所有DC/DC转换器的开启、关闭定序。在调试阶段经常会改变定序算法，这可以通过改变状态机的代码来实现。

用片上的10位ADC并通过I²C 总线，IPMC能测量所有的电压和电流。Power1220提供多个数字反馈控制环和DAC支持多达8个DC/DC转换器的调整和裕度。

用24个片上可编程阈值(典型值 0.2%)比较器监控多达12个电源过电压和欠电压故障。这个功能整合了许多监控集成电路的功能。因为每个比较器的阈值是可编程的，可用来监控各种电压而无需外部的分压器。复位产生器用相同的可编程阈值比较器产生CPU复位信号和片上定时器提供复位脉冲持续时间功能。

PPM的中断命令块将IPMC的命令转成针对前面描述的每个块的多个控制信号。例如，执行开启电源指令要求下面一些功能：开启电源(+12V)送至MOSFET；一旦电压到达阈值，开启DC/DC转换器，针对该FRU遵循所要求的电源定序规则；倘若上电时电源有故障，立即关闭所有的电源并告知IPMC有故障；所有电源开启后，产生冷复位；上电后，有时这个信号要求脉冲持续100毫秒；发送“成功”状态响应至IPMC。

Power1220有24个可编程阈值比较器的12个模拟输入、6个数字输入、20个输出(包括4个电荷泵MOSFET驱动器)、拥有8个数字闭环控制块的8 DAC，以及片上可编程定时器以实现所有如图3所示的PPM功能。

作者：

Shyam Chandra

莱迪思半导体公司