明智選擇電源架構

2004年10月B版

工程技術(shù)人員在為計算機、服務(wù)器和其它設備設計電源電路時(shí)必須考慮多方面的問(wèn)題(從處理器功率調節要求到電源線(xiàn)的數量等種種問(wèn)題)，最終選定滿(mǎn)足要求的“電源”架構。更好的理解這些架構，折衷考慮各種因素，將有助于為一個(gè)應用選擇最佳實(shí)用方案。

“架構”指電源系統元件如何布局，及如何分配相關(guān)電源任務(wù)。

電源分類(lèi)及主要架構

大多數電源都具有三個(gè)功能：將交流(AC)轉換為直流(DC)，將輸入與輸出隔離，對輸出電壓或電流進(jìn)行調節。有些電源架構將這三個(gè)功能集于一個(gè)裝置內(如臺式PC電源)。而另一些架構則可能對某個(gè)特定電路部分，提供額外的隔離或調節?？紤]到這些要求，可以將電源-轉換產(chǎn)品分成三大類(lèi)別：AC/DC電源、隔離DC/DC轉換器和非隔離DC/DC轉換器。主要電源架構見(jiàn)表1。

AC/DC電源

在早期許多服務(wù)器中，AC/DC電源放置在中心位置，執行全部功率轉換。而后來(lái)的服務(wù)器則采用前端式AC/DC電源，這種電源可產(chǎn)生單獨的輸出電壓，并在某些情況下產(chǎn)生輔助備用電源。它是利用簡(jiǎn)單高效電路，產(chǎn)生一個(gè)高壓并在整個(gè)服務(wù)器機架內分配，提高電源密度。

盡管設計人員可以采用一個(gè)AC/DC電源為整個(gè)機架供電，也可以在各自的電路板上采用更小的AC/DC轉換器，但現在大部分服務(wù)器是各層配備AC/DC 電源，實(shí)現供電。給整個(gè)機架供電的電源需要在某部分處理大功率等級，這是一項具有挑戰性的工作——可能會(huì )增加設計成本。而在電路板上采用AC/DC轉換器則是將高壓放在用戶(hù)可及的區域，這會(huì )帶來(lái)安全問(wèn)題。

隔離DC/DC轉換器

隔離DC/DC轉換器將用戶(hù)、設備與危險電壓隔離，防止接地回路, 進(jìn)行遞降轉換并調節輸出電壓。典型的轉換器通?？梢詫炔靠偩€(xiàn)上48V電源轉換成適于計算機和電信設備使用的低電壓。

傳統模塊式“磚塊形”DC/DC轉換器處理的輸出電壓范圍介于36V-75V之間，可以為半導體器件提供經(jīng)隔離和調節的低電壓。有些制造商還提供特種DC/DC轉換器，稱(chēng)為中間總線(xiàn)轉換器(intermediate bus converter)。這種器件不需要調節其輸出電壓，因為它是給可以進(jìn)行最終調節的“下游”DC/DC轉換器供電。

圖1  前端式電源給服務(wù)器系統機架的各層供電

圖2  載荷點(diǎn)轉換器可直接在微處理器、存儲器或接口電路等器件上進(jìn)行良好的電壓調節

圖3  典型服務(wù)器具有前端式電源，這種電源可將48V電壓分配到內部總線(xiàn)的刀片和電路板上

非隔離DC/DC轉換器

非隔離DC/DC轉換器通常直接通過(guò)負載調節電壓。這種“載荷點(diǎn)”轉換器即使在大電流下以及遇到快速瞬變時(shí)仍能保持嚴密的調節。通常通用非隔離轉換器用于服務(wù)器中，其工作于12V總線(xiàn)上。

設計要求

或許為服務(wù)器選用電源架構僅需要考慮：提供可用電壓，滿(mǎn)足中間總線(xiàn)上所需功率。但在實(shí)際中還必須考慮成本、可用電源架構、尺寸及位置、可擴展性、設計和元器件重新使用、可靠性等因素，這些因素同樣也會(huì )影響設計人員對架構的選擇。

成本

毫無(wú)疑問(wèn)，元件的成本在任何電源及功率分配設計中均起著(zhù)主要作用。此外，還要把安全、可靠性、擴展要求及下面闡述的有關(guān)其它設計方面的選擇因素考慮在成本之內。

可用電源架構

根據經(jīng)驗，在分配點(diǎn)上所需的功率越大，給該點(diǎn)提供的電壓就越高。使用高壓可以降低分配損耗、提高系統效率。但在整個(gè)服務(wù)器機架內傳輸400V電壓則會(huì )增加安全問(wèn)題，增大擊穿可能，同時(shí)需要過(guò)載防護，這些問(wèn)題通常限制了專(zhuān)用高性能服務(wù)器使用400V電源。

更為典型的是，服務(wù)器系統所依賴(lài)的是一種將48V電壓分配到各個(gè)子系統的架構，如電路板及刀片式服務(wù)器(見(jiàn)注釋)。在采用分布式電源架構(DPA)的系統中，子系統從48V總線(xiàn)上獲得電源并采用DC/DC轉換器產(chǎn)生低壓。某些系統可能首先將48V電源轉換成中間電壓，一般為12V，然后利用附加DC/DC轉換器來(lái)產(chǎn)生更低的電壓。后者是服務(wù)器最普遍采用的技術(shù)之一，稱(chēng)為中間總線(xiàn)架構(IBA)。表2歸納了5種電源架構的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

基于中間總線(xiàn)架構的服務(wù)器系統采用一塊電路板或總線(xiàn)，從前端式AC/DC電源到機架內的子系統，傳送48V電源。例如，每個(gè)刀片式服務(wù)器都有一個(gè)48V至12V的轉換器，它再給載荷點(diǎn)(POL)轉換器供電。這種中間總線(xiàn)轉換器具有一個(gè)隔離阻擋層，因此POL轉換器無(wú)需提供隔離功能。在中間總線(xiàn)轉換器內布置這種隔離電路，可以降低成本。分布式結構非常適合需要多種電壓的應用。

尺寸和位置

電源轉換電路放置的位置對設計人員所能選擇的電源尺寸和形狀有很大影響。形狀笨拙、尺寸和側高受限以及差的氣流圖，改進(jìn)這些特性均可能需要使用高成本元器件，以滿(mǎn)足電源可靠性要求。如將AC/DC電源放置在機架底部通常比在單個(gè)機架層上進(jìn)行AC/DC轉換需要更大的供電量。然而，盡管中心電源可能會(huì )提高電源分配系統的電氣要求，但將電源放在機架底部可以減少繁雜的電纜。

盡管供應商已經(jīng)為低側高應用優(yōu)化了水平安裝的DC/DC轉換器，但較大功率服務(wù)器系統更適合使用垂直安裝的轉換器。垂直安裝的轉換器轉換冷卻率高，因此可以使用更小的電路板或提供電路板上更高的元件密度。

可擴展性

采用集中式電源架構的服務(wù)器機架具有應對所有系統結構電源的特點(diǎn)——不管用戶(hù)需要配置多少電路板或刀片式服務(wù)器。即使用戶(hù)擴展系統，中心電源系統及其成本仍保持不變。相反，如果服務(wù)器采用分布式電源架構，每增添一塊電路板均需要為其提供轉換器，這是一種根據電源要求“現購現用”的方法。雖然后者可能有較低的初始成本，但考慮到擴展，如果裝滿(mǎn)整個(gè)機架，它的總成本則可能超過(guò)集中式電源構架服務(wù)器。

設計和元器件重新使用

雖然設計人員的目標是優(yōu)化每個(gè)系統的電源設計, 但成本迫使他們必須權衡考慮。假設一個(gè)制造商已經(jīng)大量購買(mǎi)了一種48V AC/DC 電源。工程技術(shù)人員則可以利用48V電源，再增加一個(gè)中間總線(xiàn)轉換器來(lái)產(chǎn)生其新設計要求的12V電源。在這種情況下，工程技術(shù)人員可能會(huì )發(fā)現很難證明開(kāi)發(fā)和使用新單獨12V電源的開(kāi)支是否合理。

可靠性

工程技術(shù)人員常常會(huì )因為可靠性和實(shí)用性而發(fā)生爭論。所有工程師都希望提供可在任何時(shí)間使用的可靠系統。崇尚“最低限度要求”的設計人員則極力推薦簡(jiǎn)單、可靠的非隔離轉換器，它們可以提供冗余電源。如果一個(gè)刀片式服務(wù)器的本地轉換器失效，則系統可以將工作轉交給另一個(gè)刀片式服務(wù)器，同時(shí)技術(shù)人員可以替換故障部件。但如果沒(méi)有冗余板上轉換器，則有助于降低成本。

另一方面，一些工程技術(shù)人員贊成不計任何代價(jià)的考慮實(shí)用性，簡(jiǎn)言之，個(gè)別故障，不管發(fā)生的可能性有多小，也不能讓系統停止工作。因此設計人員試圖采用高可靠性元器件，并為電源增加冗余電路，即若關(guān)鍵電源器件失效，則冗余電路將保持系統運轉。但崇尚“最低限度要求”的設計人員則認為，增加冗余電源電路可能因設計復雜化而降低可靠性。

除考慮子系統的可靠性外，工程師還必須縱觀(guān)整體系統要求，如果服務(wù)器可以容忍電路板功能喪失，則為該電路板設計冗余電源架構就沒(méi)有任何益處。

結語(yǔ)

根據設計標準，考慮用戶(hù)需要、公司利益以及設計能力，參考上面對服務(wù)器電源架構的探討，將有助于給出實(shí)用架構的折衷方案?！?/p>

注：刀片服務(wù)器是指在標準高度的機架式機箱內可插裝多個(gè)卡式服務(wù)器單元，實(shí)現高可用和高密度。每塊“刀片”實(shí)際上就是一塊系統主板。它們可以通過(guò)“板載”硬盤(pán)啟動(dòng)自己的操作系統，如Windows NT/2000、Linux等，類(lèi)似于一個(gè)個(gè)獨立的服務(wù)器，每個(gè)“刀片”均執行專(zhuān)門(mén)的任務(wù)，如文件傳輸，為Web頁(yè)提供服務(wù)等等。在這種模式下，每一塊母板運行自己的系統，服務(wù)于指定的不同用戶(hù)群，相互之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)。不過(guò)，管理員可以使用系統軟件將這些母板集合成一個(gè)服務(wù)器集群。在集群模式下，所有的母板可以連接起來(lái)提供高速的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，并同時(shí)共享資源，為相同的用戶(hù)群服務(wù)。在集群中插入新的“刀片”，就可以提高整體性能。而由于每塊“刀片”都是熱插拔的，所以，系統可以輕松地進(jìn)行替換，并且將維護時(shí)間減少到最小。