數(shù)據(jù)中心的IDC設(shè)備供電方式和效率分析研究

近年來云計算、大數(shù)據(jù)、社交、移動等熱點不斷沖擊和影響著服務(wù)器市場，全球服務(wù)器市場也因此呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢。我國出現(xiàn)數(shù)千臺服務(wù)器數(shù)據(jù)中心機房，運行功率為數(shù)十兆瓦或更高(天河2號高達24兆瓦)，而如何可靠安全地為這些數(shù)據(jù)中心的IDC設(shè)備供電時限制IDC設(shè)備發(fā)展的一個難點。IBM、Google、Facebook等公司在這些做了先行的研究并成功商業(yè)化。

交流和直流供電?

電網(wǎng)電壓提供的是交流380V/220V、50Hz，而IT設(shè)備邏輯電路用的是直流低電壓，這是兩個不可改變的事實。為IT設(shè)備供電的電源設(shè)備自然是完成兩種制式電壓的轉(zhuǎn)換。我們可以來了解交流供電和直流供電(48V中間總線)。交流供電是傳統(tǒng)的變壓器輸入方法，需要交流UPS的AC-DC轉(zhuǎn)換和DC-AC逆變轉(zhuǎn)換兩個步驟。系統(tǒng)中多了2級轉(zhuǎn)換的兩個諧波源——負載側(cè)AC/DC變換器輸入和和UPS輸出的DC/AC逆變輸出，降低的能源使用效率，同時故障級點的增加來更高的維護成本。對電網(wǎng)和系統(tǒng)本身形成干擾、增加濾波設(shè)備、降低輸入功率因數(shù)和能源利用率，對零、地線系統(tǒng)提出苛刻的要求等。而直流系統(tǒng)免去交流UPS環(huán)節(jié)，直接用電池備份方案起源于上世紀90年代，省去交流系統(tǒng)的UPS逆變②和③。整機的可靠性可以提高約10%。降低設(shè)備的生產(chǎn)成本和維護成本。而效率可以得到提高。48V的直流系統(tǒng)供電成功用于電信級產(chǎn)品。在電信機房中，我們通過交流整流柜實現(xiàn)AC到48V的直流轉(zhuǎn)換，與48V備用電池結(jié)合為為48V中間總線給DC-DC供電。48V產(chǎn)生12V總線為板上負載點供電，如處理器、專用網(wǎng)絡(luò)處理器、內(nèi)存、以及核心交換ASIC芯片等供電。

高壓直流供電， 即將交流整流成為380V直流與336V電池直接結(jié)合形成高壓直流總線， 將大大降低在機房總線布線的銅損，機房布線380V總線相對48V總線電壓升高8倍，損耗降低82即64倍。高壓直流電壓380V分布整個設(shè)施，在本地負載點實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換。還可以利用風能、太陽能等再生能源形成微電網(wǎng)給給整個設(shè)施供電。同時有效地降低單一電網(wǎng)供電保障難題。

BCM轉(zhuǎn)換器?

在現(xiàn)行電路中，絕大多數(shù)的負載工作在12V以下的電壓下， 如硬盤馬達驅(qū)動為12V，SSD為5V/3.3V，DDR工作在1.2V，CPU的核電壓1.8V等。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)都是有關(guān)高效而可靠的產(chǎn)生低壓/大電流。HVDC也能滿足這一條件，用一個BCM ?總線轉(zhuǎn)換器，通過變比K為1/8或1/23的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生380V到47.5V或11.875V總線。Vicor的BCM總線轉(zhuǎn)換器是一個正弦波振幅轉(zhuǎn)換器(Sine Amplitude Converter TM， 即 SACTM)，是一個零電壓/零電流開關(guān)拓撲的架構(gòu)，是一個隔離非穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。 除了輸入/輸出是直流電壓，SAC像一個具有固定輸入/輸出電壓比的交流變壓器。SAC可以說實現(xiàn)98%的轉(zhuǎn)換效率，同時由于SAC的軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)頻率超過了1MHz。

PRM升降電路?

根據(jù)ETSI規(guī)范，336V備份電池正常的工作范圍260V-410V，當AC-DC失電情況下，備用電池總線電壓因為放電而下降最低有可能為260V/8 即32V。我們需要在ETSI定義的滿量程電壓范圍內(nèi)提供適配器或均衡器來保持48V的電壓軌穩(wěn)定，這里Vicor提供一個零電壓開關(guān)架構(gòu)的升降壓(Buck- Boost converter)。

這個Buck-Boost轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)預(yù)穩(wěn)壓功能模塊及PRM ，在全型VI Chip 32.5mm*22mm*6.7 mm實現(xiàn)600W, 而在與RJ-45以太網(wǎng)插頭大小相近的半型尺寸的VI Chip可以實現(xiàn)300W的功率。在這兩種情況下，該結(jié)構(gòu)可以保持高效率并且無縫、動態(tài)使用多個供電源，可以是高壓整流柜的AC/DC，也可以算是再生能源或備用電池供電。

三種不同配電方式?

1.380V-48V升降壓均衡適配器

傳統(tǒng)的48V總線如線卡、路由器的架構(gòu)的，在 交流整流柜或電池輸出到380V總線經(jīng)1/8轉(zhuǎn)換得到一個32-50V的總線電壓，經(jīng)過升降壓的調(diào)整實現(xiàn)一個48V/54V的穩(wěn)定輸出到板卡。 到板卡上再利用K=1/4 或1/5的IBC總線轉(zhuǎn)換實現(xiàn)到12V/9.6V的總線，之后再通過多個nPoL分別實現(xiàn)CPU /DDR /GPU等供電。當然如果有AC/DC的輸入設(shè)備，就需要48V到DC-AC的逆變電路。

2.380V-12V部分升降壓均衡適配器

新型設(shè)計中380V通過1/8變比實現(xiàn)48V的總線(32-50V)，硬盤/風扇類電機驅(qū)動需要一個30-60V輸入范圍的ZVS降轉(zhuǎn)換器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由功率分比架構(gòu)FPA的PRM+VTM DC/DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。

3.380V-48V FPA VR13架構(gòu)

380V通過1/8變比實現(xiàn)48V的總線(32-50V)，硬盤/風扇類電機驅(qū)動需要一個30-60V輸入范圍的ZVS降轉(zhuǎn)換器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由功率分比架構(gòu)FPA(Factory Power Architecture)的PRM+VTM DC/DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。

關(guān)于功率?

根據(jù)典型CPU負載與輸配電源計算三種不同配電方式的效率， 而供電方式分別為AC-DC整流柜和滿足ETSI的高壓直流(備用電池)供電方式。利用Vicor的K=1/8或K=1/32的高壓BCM可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)電路的改進，實現(xiàn)高效的高壓直流的轉(zhuǎn)換。