ATCA机箱中业务板电源的监测与控制
来源: 电源技术   发布时间: 2016-07-18 13:47   987 次浏览   大小:  16px  14px  12px
对ATCA机箱中业务板电源监测与控制进行研究,采用Lattice公司的电源监控芯片ispPAC-POWR1220AT8来控制其电源状态,并通过管理次级电源模块控制板上各个电压。结合Renesas公司的HD64F2167V微处理器,处理收集到的业务板各个电源状态。通过双冗余的IPMB总线反馈给机箱管理控制器。通过以太网接口可远程监测业务板上各路电压状态。实验结果表明:该系统对电源的监控具有较高的可靠性。

杨佩,孙玉国,上海理工大学


关键词:ATCA;ispPAC-POWR1220AT8;HD64F2167V;机箱管理控制器

ATCA(advanced tclccom computing architecture)意为先进的电信计算架构,由PICMG协会定义。ATCA是一种全开放、可互操作的电信工业标准,采用了全新的设计标准,不仅在背板结构、散热、可靠性以及开放性方面有其独特的创新,而且为下一代通信及数据网络应用提供了一个高性价比、模块化、兼容性强、可扩展的硬件构架。


ATCA机箱管理部件主要由两部分组成:两个互为热备份的机箱管理控制器(ShMC)和位于各个业务板上的智能平台管理控制器(IPMC),ShMC负责管理整个机箱设备,各个单板上的IPMC与ShMC通过智能平台管理总线IPMB(基于I2C总线规范)相互通信,来实现对单板的管理。


在电源管理方面,由于ATCA系统主要用于高可靠、高性能的电信系统,因此其对电源的要求也非常苛刻。比如,要求完全兼容-43~-72V供电电压,0~-75V的电压不会对板卡造成损害,当电压不在规定的要求之内时可提供不同的降级操作。另外,高性能板卡所使用的芯片对电源的要求也非常高,不但种类繁多,上电顺序严格,而且核心电压可以低至1.0 V以下,但精度却要求不低于±3%,瞬态电流甚至可高达上百安培。所有这些,都要求对ATCA业务板进行精确的电源监控,以实现系统的稳定可靠运行。本文将对ATCA机箱中业务板上电源监测与控制进行研究。


1 系统方案设计

1.1 电源分配系统框图


ATCA的电源设计主要是针对电信级大功率的应用,每个单板的功率可达300W。ATCA标准采用双路冗余的-48V直流电源输入,该电源输入的实现选用二极管ORing电路,采用这种电路的优点是简单、低成本、小尺寸,并且可以做到负载均衡。


如图1所示,-48V直流电压经过初级电源转换模块转化为12V有效负载电源,12V直流电源再经过多路次级电源转换模块分别转化为相应电压值为板上芯片提供电源,其中转化的3.3V电压为板上管理芯片提供电源。DC/DCn+1使能端不受电源监控芯片控制,其他次级电源转换模块使能端受电源监控芯片控制并决定其上电时序。IPMC控制电源监控芯片给次级电源转换模块上电。



图1 电源分配系统框图

1.2 系统框图设计


ATCA分系统级电源管理和单板级电源管理。在系统级电源管理上,当业务板(即单板)插入机箱使能载荷电源前(载荷是指在业务板实现的主要功能),业务板上的IPMC会发送板卡的最大功率需求给机箱管理控制器。机箱管理控制器判断系统能否提供新插入的业务板所需的功率,若可以就发送命令给IPMC以使能载荷电源,否则不使能载荷电源。同时IPMC将实时监测板上电压信号,并通过双冗余的IPMB总线与ShMC进行通信完成对整个机框电源状态的监控。


在单板级电源管理上,需要对业务板上的各种电源进行监控。按照ATCA标准,每个单板上都有一个专门的电源监控芯片,负责实时监测板上电压信号,并管理电路板上的DC/DC转换器,即软启动、定序,来完成对单板的电源状态监控。CPU通过系统总线可随时访问电源监控芯片所测电压信号,系统设计框图如图2所示。



图2 系统设计框图

2 系统硬件设计

由于ATCA机箱业务板上所要监测的电压信号较多,并且同一芯片不同电压上电时序也不同,还有可能同一DC/DC转换的电压为不同芯片提供电源。基于这些特点,每个单板上的电源监控芯片选用Lattice的ispPAC-POWR1220AT8来控制板上电源上电时序并监测其电压状态。IPMC选用Renesas的HD64F2167V微处理器来监测整个机框的电源状态,选用这款芯片的优点是它具有多路I2C总线,可同时与ShMC、板上CPU等进行通信。


2.1 电源上电时序控制


单板的上电时序控制采用Lattice的ispPAC1220芯片。按照板上芯片上电时序要求,将板上芯片上电时序分4个阶段,如图3所示。ispPAC1220首先给一部分芯片上电,当检测到其上电电压达到允许的范围后,再给第二部分芯片上电,上电完成后等待4.61ms,并依次给第三部分、第四部分芯片上电。当板上芯片都上电成功以后,ispPAC1220向IPMC发送“POWER OK”状态响应。



图3 单板电源上电时序

2.2 电压监测


在单板级电源管理上,采用ispPAC1220对业务板电源进行监测。ispPAC1220内部有24个可编程阈值比较器的12个模拟差分输入,它可以最多同时监测板上12路电压信号,模拟电压经过差分输入后,分别与两个阈值比较器进行比较,将比较的结果经过窗口控制电路后储存在PLD内。CPU通过I2C接口可以读取电压状态值。另一方面。输入的12路模拟电压信号经过10-bit ADC转换后储存在两个8位的寄存器内。ADC内部的基准电压VREF=2.048V;当输入电压范围在O~2V时,取ADC_MUX.4=0,ADC分辨率为2mV;当输入电压范围在2~6V时,先经过衰减器衰减至1/3后再进行A/D转换,取ADC_MUX.4=1,此时ADC分辨率为6mV。CPU通过I2C总线可以向ispPAC1220发出请求访问任何一路电压测量值。VMONx引脚输入的电压与ADC编码之间的换算关系为:


VMON=ADC code(12位,转换为十进制)×2mV。


在系统级电源管理上,采用Renesas公司的HD64F2167V芯片进行管理。它是一款16位单片机,内部集成了16个16-bit通用寄存器,8个10-bit A/D转换器,有6通道I2C总线接口。HD64F2167V通过引脚AN0~AN7也可以同时监测8路模拟电压信号,输入的模拟电压信号经过10-bit A/D转换后储存在16-bit ADDR寄存器内。其中ADDR寄存器高10位用来储存转换的10位数据,低6位用0填补。ADC外部的基准电压VREF为2.5V,当输入电压超过2.5V时,采用分压后输入。


3 系统软件设计

ispPAC1220利用Lattice公司开发的PAC-Designer开发软件来编程实现电源监控器对每个单板上电压值的采集与控制,程序设计图如图4所示。ispPAC1220内部每个比较器可提供368个可编程跳变点电压值,每路电压阈值范围最终取决于所供芯片电压精度要求以及跳变点电压参考值。ispPAC1220内部有4个计数器用来控制时序,20个数字输出控制DC/DC转换器使能端,其中4个高电压输出驱动MOSFET开/关。CPU通过I2C接口可以读取到所测电压值状态。当电压超过所设电压范围时,ispPAC1220会控制DC/DC转换器使能端不使能,让板上芯片全部下电,下电后再重新上电。



图4 ispPAC1220程序设计

利用VxWorks操作系统下的tornado开发环境编程实现HD64F2167V对整个机框上电压的采集与控制,软件流程图如图5所示。首先对HD64F2167V初始化,检查板上RI是否匹配,如果匹配,检查板1热插拔状态是否正常。整个板子分7种状态。M0:单板未插入;M1:单板已插入(手柄未合上);M2:请求上电(手柄已合上);M3:正在上电;M4:正常工作;M5:请求下电;M6:正在下。当板子进入M2状态时,检查板上RI是否匹配,若匹配,则给板子上电;当板子进入M4状态时,判断板上寄存器是否有中断信息,若有,读板上寄存器值,发出报警信号并关闭电源;当板子进入M5状态时,HD64F2167V命令关断电源。



图5 HD64F2167V软件流程图

4 实验结果与分析

由于板上电源上电时序分四个阶段,同一阶段有多种电压,分别在每一个阶段选取一个电源,用示波器检测这四个阶段不同电源上电时序,其实验所测结果如图6所示。从实验结果可以看出,板上电源按四个阶段依次上电,其中通道3(红色波形)的上电时间较长,原因是3.3 V供电电压所带负载较多,电容充电效应导致上电缓慢。整个上电过程都控制在设计范围内。



图6 电源上电时序

板上电源监测结果分两部分:ispPAC1220监测的12路电压值以及HD64F2167V监测的8路电压值。为了验证所测电压精度,将万用表实测电压值与之进行对比,其所测某一时刻电压值如表1所示。从表1可以看出,ispPAC1220所设的电压门限值范围不超过±10%,而HD64F2167V所设的电压门限值范围接近±20%,并且ispPAC1220所测电压值更接近实测电压值。为了更充分验证这一结论,选取某一路电压进行多点采样,观察其电压随时间变化的趋势。从图7中可以很直观地看出ispPAC1220所测电压值与实测值很接近,而HD64F2167V所测值与实测值相差较远,这说明ispPAC1220所测电压准确度更高于HD64F2167V。虽然ispPAC1220与HD64F2167V内部都是使用10-bit A/D转换,但是ispPAC1220电压输入是采用差分输入,有效避免共模干扰,而HD64F2167V电压输入采用单端输入,抗干扰能力较差。



表1 电压监测值



图7 电压1随时间的变化

5 总结

针对ATCA机箱业务板电源的监测,该方案很好地体现了IPMC与电源监控芯片的分工协作,使板子上的电源处在良好的监控范围之内,为业务板的工作提供了可靠的必备条件。