PICMG 3.0標準底定以後，FRU也被要求應重視基本的管理架構。由PLD實現的ATCA FRU模組化電源管理標準不但可彈性調整設計，且在降低成本、加快產品上市時間與提升環境適應性上，都頗有優勢。
先進電信運算架構(Advanced Telecom Computing Architecture, ATCA)為一由PCI工業電腦製造商組織(PICMG)委員會所定義之標準。一般來說，符合ATCA的系統由一個或多個熱插拔線卡組成，因此符合ATCA標準的線卡也稱為現場可更換單元(Field Replaceable Unit, FRU)。而ATCA之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。此外，電路板上的微控制器為了實現上述管理功能，也必須具備強大的功能，這個微控制器稱為智慧平台管理控制器(IPMC)。
PICMG在第三版中定義了分層管理結構的實現，通過智慧平台管理匯流排(IPMB)，允許自身管理器與現場可更換單元上的智慧平台管理控制器進行通訊。其運作過程是：現場可更換單元插入背板及打開載荷前(載荷為用現場可更換單元實現的指定應用功能)，電路板上的智慧平台管理控制器發送詳細的現場可更換單元卡資訊至自身管理器；然後，自身管理器命令智慧平台管理控制器打開載荷。如果背板上插卡不正確，自身管理器便會命令智慧平台管理控制器不要打開載荷，以此保護其他現場可更換單元。
依循PICMG 3.0之規範，所有的現場可更換單元皆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台管理整合載荷電源管理的方法。
有助分層管理實現 FRU掌控基本管理架構
圖1為在現場可更換單元中電源分布安排的實例。大多數現場可更換單元有兩個連接器，稱為連接器Zone1和連接器Zone2。連接器Zone1為FRU提供-48伏特電源。連接器Zone2用於內部FRU載荷通訊。連接器Zone1還能連接到智慧平台管理匯流排。智慧平台管理匯流排是基於I2C匯流排的規範。
背板提供-48伏特電源通過隔離的直流對直流(DC-DC)轉換器通常產生12伏特的主載荷電源電壓。在電路板上，這個12伏特的匯流排產生所有指定的載荷電壓，並通過管理電源12伏特為智慧平台管理控制器供電。
圖1展示ATCA現場可更換單元中控制電源分布的四個主要區塊，第一為熱插拔控制器、場效電晶體(FET)和隔離的DC-DC轉換器，第二為智慧平台管理控制器管理電源，第三為載荷電源管理控制器、載荷DC-DC轉換器和負載點(Point Of Load, POL)電源，第四部分為電路板載荷。
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| 圖1 FRU中的主電源分布 |
這四個區塊中，雖然由PICMG 3.0標準指定了熱插拔控制器和載荷電源管理控制器的功能，不過載荷電源管理控制器的工作或者DC-DC轉換器並不是通過規範來進行轉換，而是依靠實際的載荷電路。以下就詳細介紹。
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連接器Zone1的-48伏特通過一些場效電晶體如圖1所示，-48伏特隔離的DC-DC為隔離DC-DC轉換器供電。現場可更換單元插入背板時，控制一系列FET的熱插拔控制器限制了湧入電流。湧入電流發生後，熱插拔控制器打開-48伏特電源，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產生12伏特和3.3伏特電壓。 |
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智慧平台管理控制器是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等的微控制器。當現場可更換單元插入背板時，智慧平台管理控制器會先與管理器通訊。根據管理器發出的指令，通過載荷電源管理控制器，智慧平台管理控制器將控制訊號送到載荷的電源。此外，管理器還可以決定是否復位現場可更換單元上的中央處理器(CPU)、用冷復位還是熱復位。智慧平台管理控制器要能夠測量各種電源電壓、電流、溫度，並把它們存入稱為感測器資料紀錄(SDR)。ATCA定義了智慧平台管理控制器和管理器之間的通訊協定如指令處理、資料結構、狀態機和SDR，對所有ATCA現場可更換單元的實現都是通用的，不依賴載荷的功能。 |
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載荷電路決定了現場可更換單元中產生的電源電壓數目。載荷電源由載荷積體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，監控訊號應對電路板上的CPU發出報警訊號，用智慧平台管理控制器記錄故障。在極端的情況下，應該關閉用於載荷的電源，以免損壞整個電路板。
載荷電源管理控制器的功能包括管理電路板上的DC-DC控制器，即軟啟動、定序、跟蹤、裕度和修整，並產生所有電源相關狀態和控制邏輯訊號，即產生重定訊號、指明過電壓、欠電壓和過電流(監控)和電壓電流測量。針對ATCA部分，控制送入的主電源；而針對開發先進夾層卡(AMC)，則注重短路電流保護和開發先進夾層卡的電源。 |
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平均來說，ATCA現場可更換單元有六到十個電壓。上面列出的電源管理功能會很複雜，通常需要一個可編程邏輯元件(PLD)或一個微控制器，除單功能電源管理積體電路，還要監控器、復位產生器和熱插拔控制器。 |
圖2為典型的電源管理控制方塊。圖左為主電源(+12伏特)。而當智慧平台管理控制器發出指令時，載荷電源控制方塊開啟載荷電路電源。此控制方塊還控制送入開發先進夾層卡的電源，一般也多用若干個熱插拔控制器積體電路實現這個控制方塊。
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| 圖2 傳統的電源管理控制 |
12伏特匯流排開啟後，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，通常用智慧平台管理控制器或者可編程邏輯元件實現時序演算法，這樣就易於改變時序演算法。
電路板完全上電後，就對電壓進行監控。發生電源故障時，在關閉整個電路板之前，中斷主處理器並安全地終止當前工作。電源故障警告訊號送至智慧平台管理控制器，用以更新管理器。如果電源故障很嚴重，智慧平台管理控制器會決定關閉載荷電源。
在所有電源開啟之後，復位產生器的用途是對CPU復位。管理器發指令時，也有可能會要求智慧平台管理控制器復位CPU。
智慧平台管理控制器主要的用途是實現PICMG 3.0規範平台管理功能。為了符合規範，智慧平台管理控制器執行嚴格的協定、狀態機和預定義指令的解碼。此時的類比數位轉換器(ADC)用來測量電路板上所有的電源和電流，並存入感測器紀錄。
設計者經常使用智慧平台管理控制器微處理器提供的軟體靈活性，以實現規定的載荷電源管理功能，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，微處理器可通過數位類比轉換器(DAC)修整電源。
審慎關注智慧平台管理控制器 破解先天缺陷
如前所述，智慧平台管理控制器的主要功能是執行規定的PICMG 3.0平台管理功能，應對智慧平台管理控制器軟體進行完全的測試，以保證適合電路板。而一旦智慧平台管理控制器軟體被認證，對軟體的任何修改都要進行完全的測試。
為了符合智慧平台管理控制器，把電源管理功能加到智慧平台管理控制器進行設計特殊的現場可更換單元，也就必須分別對每個現場可更換單元設計進行測試。
但是，這是很耗時的事，因為要按照標準進行重複測試。電源管理演算法也許要進一步修改以滿足電路板上特定應用積體電路(ASIC)的新要求。這會導致可能須要修改智慧平台管理控制器軟體，並對是否符合智慧平台管理控制器再次測試。 在軟體中監控故障增加了軟體的負擔，也許會減慢微處理器對通訊協定的回應。
這個應用還要求微處理器擁有多通道模擬複用的高精度ADC。根據載荷的情況，由於電源管理增加了代碼長度，或許必須使用增加儲存資源、也更加昂貴的微處理器。
以下是模組化現場可更換單元電源管理部分的描述，採用智慧平台管理控制器和載荷電源管理(PPM)。
現場可更換單元有助模組化電源管理解決方案
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，智慧平台管理控制器只執行平台管理功能，指導電源管理晶片實現所有的PPM功能。
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| 圖3 模組化ATCA FRU電源管理 |
在圖3的方塊圖中可分成三個部分，一為用微控制器實現的智慧平台管理控制器、二為可編程電源管理控制器，三則為現場可更換單元載荷電路、DC-DC轉換器和金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)，以下便一一介紹。
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通常微處理器只執行PICMG 3.0規定的智慧平台管理功能。所有即時電源管理功能，諸如控制電源送入、電源定序、電壓和電流監控，研究冷復位和熱復位，都由現場可更換單元電源管理晶片實現。
檢測到電源故障時，PPM中斷智慧平台管理控制器。用內置ADC的電源管理晶片，智慧平台管理控制器建立感測器資料紀錄。
為了確保符合PICMG 3.0標準，所有智慧平台管理控制器平台管理軟體和PPM都必須預先測試，以符合現場可更換單元之設計；至於簡單的可編程電源管裡晶片則處理特殊的電源管理。 |
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在此元件中，載荷電源管理使用四十八個巨集單元複雜可編程邏輯元件(CPLD)實現子模組功能。送入子模組載荷電源直接控制MOSFET的開啟或關閉。ATCA電路板的典型功耗是100瓦或更多一些。為了滿足電源要求，12伏特的匯流排應該能夠提供8安培的電流。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積體電路來實現。 |
關於電路板上之PLD實現電源定序和跟蹤功能，多半控制所有DC-DC轉換器的開啟、關閉定序。因此在調試階段經常會改變定序演算法，並通過改變狀態機的代碼來實現。
用板上的十位ADC並通過I2C匯流排，智慧平台管理控制器能測量所有的電壓和電流。此時電源管理晶片可提供多個數位回饋控制環和DAC支援多達八個DC-DC轉換器的調整和裕度。
在電源管理晶片中，尚可用二十四個可編程精度(典型值0.2%)比較器監控多達十二個電源過電壓和欠電壓故障。能達到此特性的原因，是因為每個比較器的閾值都是可編程的，可用來監控各種電壓而毋需外部的分壓器。復位產生器用相同的可編程閾值比較器產生CPU重定訊號和片上計時器提供復位脈衝持續時間功能。
PPM的中斷命令區塊將智慧平台管理控制器的命令轉成區塊的多個控制訊號。例如，執行開啟電源指令要求開啟電源(+12伏特)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並告知智慧平台管理控制器有故障、所有電源開啟後，產生冷復位；上電後，有時這個訊號要求脈衝持續100毫秒，另也可發送「成功」狀態回應至智慧平台管理控制器。圖3所示的電源管理晶片，提供四十八個巨集單元的CPLD，有二十四個可編程閾值比較器的十二個類比輸入、六個數位輸入、二十個輸出(包括四個電荷泵MOSFET驅動器)、擁有八個數位閉環控制塊的DAC，以及可編程計時器以實現所有的PPM功能。
實現模組化電源管理優點 加速產品上市時間
採用模組化方法，設計者可以專注測試過的智慧平台管理控制器軟體，將其用於所有的現場可更換單元設計，針對每個現場可更換單元進行一致性測試。在PPM中修改狀態機演算法來改變電源管理演算法，取代改變智慧平台管理控制器軟體的方法。這意謂不須再次測試智慧平台管理控制器的一致性，因此加速了產品上市時間。
此類產品的一大優勢是，可快速適應工作環境的變化。由於可以修改智慧平台管理控制器軟體以適應演進的標準，或者能在現場可更換單元介面適用不同的管理器。在這種情況下，不須進行針對電源管理需要的電路板測試。在工作環境中，可減少針對現場可更換單元設計變化所需要的時間。
至於降低成本，因為模組設計使用整合於電源管理晶片上的ADC，因此就不需要額外的ADC微控制器，故可使用低成本微控制器。
因為電源管理晶片有效地整合了許多熱插拔控制器、監控器、復位產生器和CPLD，以減少電路板的面積。因此通過使用此類產品的修整和裕度特性，可降低DC-DC轉換器的成本。
而在增加軟體和硬體的可靠性上，模組方法將與標準相關的軟體和電路板上電源管理演算法進行區隔。如此一來能夠增加測試覆蓋，改進軟體的可靠性。整合多個積體電路以後，可改進對所有電壓的監控覆蓋，提升整個功能的可靠性。
總而言之，在智慧平台管理控制器軟體中，所有的現場可更換單元實現PICMG 3.0指定的平台管理功能。不須跨越現場可更換單元修改軟體。為了克服單一功能、定制電源管理晶片的限制，傳統上修改智慧平台管理控制器軟體尚包括現場可更換單元指定的載荷管理功能，可能增加產品上市時間、成本，還降低了可靠性。
運用智慧平台管理控制器和可編程電源管理解決方案的模組化方法，可克服前述缺點，此外還增加了靈活性和故障覆蓋範圍。而PLD由於提供現場可更換單元之關鍵工作處理，聲勢自然水漲船高。
(本文作者任職於萊迪思)