實(shí)現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第五部分：輔助電源系統(tǒng)

摘要

本系列文章的第五部分闡明ADI公司備用電池單元(BBU)參考設(shè)計(jì)中輔助電源的重要性。輔助電源包括與主電源輸出一起提供的補(bǔ)充電壓軌，用于支持眾多組件和功能。它對于確保BBU參考設(shè)計(jì)模塊中集成的電源器件的可靠和高效運(yùn)行至關(guān)重要。

引言

對于采用先進(jìn)開放計(jì)算項(xiàng)目(OCP)開放機(jī)架第3版(ORV3)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲設(shè)備，電源單元(PSU)和BBU是支持它們正常運(yùn)行的命脈。中央電源轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)輸送所需的大部分電能。輔助電源組件則扮演著幕后的無名英雄，為了維護(hù)包括PSU和BBU在內(nèi)的整個(gè)電源供應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的整體穩(wěn)健性、可靠性和安全性，它發(fā)揮了不可或缺的作用。

在接下來的詳細(xì)討論中，我們將研究輔助電源在BBU模塊參考設(shè)計(jì)中發(fā)揮的作用，探索其功能和內(nèi)部機(jī)制。通過深入探究輔助電源的復(fù)雜性，我們的目的是凸顯它為了確保不間斷電力供應(yīng)和保護(hù)重要技術(shù)資源免受損害而作出的重大貢獻(xiàn)。

后備電源

輔助電源用于提供BBU內(nèi)的副電源。即使背板電源中斷或不可用，補(bǔ)充電源也會繼續(xù)為模塊內(nèi)的器件供電，確保BBU內(nèi)存儲的關(guān)鍵操作能夠順利執(zhí)行。這種后備電源讓該單元能夠保留和維持重要操作，例如安全轉(zhuǎn)換過程、周密監(jiān)控、復(fù)雜控制電路管理以及為低功耗器件持續(xù)供電。輔助電源通過在停電期間提供持續(xù)不間斷的電源，確保模塊在需要時(shí)能夠分配電力。這反過來可以起到緩沖器的作用，抵御潛在干擾，并防止發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。

電壓調(diào)節(jié)

為使BBU內(nèi)部的器件達(dá)到理想性能，確保其處于恒定平衡和恒定電壓輸出狀態(tài)至關(guān)重要。在這種情況下，怎么強(qiáng)調(diào)輔助電源的重要性也不為過，因?yàn)樗洚?dāng)關(guān)鍵的保護(hù)措施，可以監(jiān)督BBU模塊復(fù)雜架構(gòu)內(nèi)電壓控制的敏感區(qū)域。輔助電源持續(xù)監(jiān)測輸出電壓，在嚴(yán)格定義的容差范圍內(nèi)對電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，使其保持穩(wěn)定。

這種調(diào)節(jié)猶如一道堅(jiān)實(shí)的屏障，有效地保障了BBU與其關(guān)聯(lián)器件之間的互動。輔助電源確保能源供應(yīng)穩(wěn)定可靠，防止電壓波動，避免引發(fā)故障、數(shù)據(jù)損壞或物理損害。

輔助電源通過精密校準(zhǔn)發(fā)揮關(guān)鍵作用。它不僅讓模塊保持高效運(yùn)行，還能保護(hù)所連接的器件。憑借出色的精密度和可靠性，數(shù)據(jù)中心的PSU、BBU和一系列相關(guān)器件能夠獲得更長的使用壽命、更高的效率和持久的運(yùn)行活力。

散熱和風(fēng)扇控制

有效的散熱管理對于防止電氣設(shè)備過熱至關(guān)重要。BBU內(nèi)部的風(fēng)扇由輔助電源供電并進(jìn)行協(xié)調(diào)。此散熱過程有助于保護(hù)BBU和受支持器件。這種組合利用輔助電源來管理風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，創(chuàng)造平穩(wěn)高效的散熱環(huán)境。這樣一來，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好平衡，保持理想工作溫度，防止過熱造成破壞性影響。

熱量的耗散涉及熱動力學(xué)中復(fù)雜的相互作用。該系統(tǒng)會管理熱量，防止因過熱而導(dǎo)致故障。精心的溫度調(diào)節(jié)和輔助電源可提高性能和可靠性。

保護(hù)和安全特性

BBU具有一系列重要的安全和防護(hù)特性，可保護(hù)所連接的器件和電源轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)這些功能的部署和監(jiān)督，輔助電源的集成至關(guān)重要。輔助電源支持一系列主動保護(hù)措施，包括過壓、過流和短路保護(hù)以及溫度監(jiān)控等。輔助電源通過連續(xù)實(shí)時(shí)檢查各種參數(shù)，確保對異?；騿栴}做出快速反應(yīng)。這種快速激活的保護(hù)機(jī)制有效地避免了對PSU及其連接器件的損害，減輕了電氣危險(xiǎn)，并顯著提高了系統(tǒng)的整體安全性。

診斷評估

BBU在向連接的器件供電之前，會定期進(jìn)行自診斷測試以驗(yàn)證其功能。在此過程中，輔助電源會提供啟動和結(jié)束診斷程序所需的電壓和控制信號。這種自我評估有助于及時(shí)檢測BBU內(nèi)的潛在故障，包括器件問題或電壓異常。輔助電源的參與有助于通過及早識別和查明故障來增強(qiáng)PSU的性能，并延長其使用壽命。這種主動方法讓PSU工作更可靠，準(zhǔn)備更充分，確保不間斷供電，并大大降低系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

ADI的電源設(shè)計(jì)工具LTpowerCAD?提供專為BBU輔助電源設(shè)計(jì)的定制工程見解和組件性能數(shù)據(jù)。這種強(qiáng)大的組合成功地加快了復(fù)雜的電氣評估過程，縮短了原型設(shè)計(jì)階段，并大大加速了輔助電源電路的整體開發(fā)進(jìn)程。這會明顯減少審查所花費(fèi)的時(shí)間，大幅降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖1展示了為優(yōu)化充電模式或放電模式下BBU運(yùn)行期間的能量流而設(shè)計(jì)的輔助電路，其中體現(xiàn)了巨大的工程工作量。圖2則顯示了BBU休眠模式下的低功耗輔助電路，它采用低壓差(LDO)穩(wěn)壓器和單通道降壓轉(zhuǎn)換器。

圖1.BBU模塊在充電和放電過程中的輔助電路設(shè)計(jì)。

圖2.BBU模塊在休眠模式下的輔助電路設(shè)計(jì)。

為了給此類電源轉(zhuǎn)換器、微控制器和其他外設(shè)供電，BBU模塊輔助電路包含表1所列的六個(gè)電壓軌。

表1.BBU電壓軌

BBU充電或放電工作模式下的輔助電源

12 V偏置軌

LT8645S是一款高壓同步降壓控制器，具有高達(dá)8 A的驚人負(fù)載能力。其主要功能是以非常高的精度將48 V背板電壓電源高效轉(zhuǎn)換為12 V輔助電壓電源。該器件集成了旁路電容，這使其有別于其他高壓降壓控制器。這一策略性選擇不僅可以減小PCB尺寸，而且巧妙地解決了快速電流環(huán)路和電磁干擾(EMI)發(fā)射等難題。這種組合顯著提高了整體效率，增強(qiáng)了控制器優(yōu)化能耗的能力。

12 V偏置軌為電源轉(zhuǎn)換器、風(fēng)扇電源和電流共享總線電路等基本組件提供支持。12 V偏置軌充當(dāng)這些關(guān)鍵組件的主要能源通道，助力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫運(yùn)行和高性能。這些組件在電源下有機(jī)結(jié)合在一起，其中LT8645在增強(qiáng)效率和功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

5 V、3.3 V、1.8 V和1.2 V偏置軌

采用四通道同步降壓控制器LT8692S是一個(gè)經(jīng)過深思熟慮的選擇，旨在提供多種輸出：5 V、3.3 V、1.8 V和1.2 V。這種調(diào)整對于適應(yīng)降低的輔助電壓以與較低的總線電壓保持一致尤為重要。該控制器在一個(gè)以2 MHz頻率運(yùn)行的單一振蕩器的引導(dǎo)下，確保其輸出的精密度和同步性。

該器件真正的獨(dú)特之處在于集成了電容，這一特性有效降低了布局對EMI的敏感性，有助于滿足嚴(yán)格的EMI性能要求。因此，其與噪聲敏感的設(shè)置和應(yīng)用的兼容性顯著增強(qiáng)。四通道架構(gòu)具有高集成度特點(diǎn)，不僅節(jié)省空間，而且設(shè)計(jì)方法更加簡潔高效。

為了解釋其使用方式，5 V偏置軌為放大器電源軌、Modbus UART驅(qū)動器、數(shù)字溫度傳感器和電源管理器件供電。3.3 V、1.8 V和1.2 V輸出分別為EEPROM器件、主微控制器單元(MCU)和電池管理系統(tǒng)(BMS) MCU供電。

-3.0 V偏置軌

LTC1983為驅(qū)動BBU的運(yùn)算放大器提供關(guān)鍵的-3 V電源軌，是電荷泵反相器的明智選擇。該器件僅需一對附加電容即可支持高達(dá)100 mA的輸出負(fù)載，這證明其固有效率非常高。值得注意的是，這種高效率得益于其微小的外形尺寸，這一設(shè)計(jì)特性賦予了它獨(dú)特的優(yōu)勢——在BBU電源板上僅需1 mm空間即可發(fā)揮作用。

BBU休眠工作模式下的輔助電源

3.3 V、1.8 V和1.2 V偏置軌

MAX17551是一款性能突出的同步降壓轉(zhuǎn)換器，可將電池堆的48 V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V輸出。此電壓充當(dāng)一個(gè)重要通道，在主MCU和BMS MCU處于休眠模式時(shí)將電力輸送至其數(shù)字通用引腳。選擇這款降壓轉(zhuǎn)換器是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)勢：輸入電壓范圍寬廣，從4 V到60 V，通用性強(qiáng)；外形小巧，節(jié)省空間；運(yùn)行效率出色，最低功耗不到10 mW。這些特性的融合使其成為提高電池堆整體耐用性和續(xù)航能力的優(yōu)選解決方案。

ADP165LDO穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的降壓功能，可準(zhǔn)確地將電源電壓從3.3 V降至1.2 V。這種有針對性的降壓可作為主要能源，為主MCU和BMS MCU的核心操作供電。在微控制器電路中巧妙地集成LDO穩(wěn)壓器可以改善電壓調(diào)節(jié)，顯著降低噪聲，簡化設(shè)計(jì)架構(gòu)，提高運(yùn)行效率，并提升可靠性標(biāo)準(zhǔn)。此外，ADP165的功耗不到15 μW，因此系統(tǒng)能耗大大降低，電池的續(xù)航時(shí)間顯著延長。

最后，為了供應(yīng)模擬和USB電源電壓以及其他一些核心電壓，系統(tǒng)采用了MAX38911，它能準(zhǔn)確地將電源電壓從3.3 V降至1.8 V。此LDO穩(wěn)壓器可以輸送高達(dá)500 mA的負(fù)載電流，足以提供微控制器所需的負(fù)載電流。該電源轉(zhuǎn)換器在低功耗模式下消耗約19.2 μA的電源電流，因而適合休眠工作模式。

鑒于輔助電源在充電或放電操作期間的效率高達(dá)94%，而在休眠模式期間的效率為62%，為了保持一致的理想性能，怎么強(qiáng)調(diào)響應(yīng)式熱管理的重要性都不為過。為輔助電路選擇適當(dāng)器件的意義不僅僅在于提升普通功能；更關(guān)鍵的是，這構(gòu)成了在BBU不同工作狀態(tài)下的設(shè)計(jì)完整性的基礎(chǔ)。借助該策略可以預(yù)測整體功耗，并估算電池的使用壽命。此外，它支持以經(jīng)濟(jì)有效的方式改善輔助電路的性能，最終全面提升該單元的整體效率。1

總結(jié)

在本系列的最后一篇文章中，輔助電源被描述為BBU的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各種重要功能。其功能涉及許多關(guān)鍵責(zé)任，所有這些責(zé)任對于BBU的平穩(wěn)、可靠、安全運(yùn)行都至關(guān)重要。輔助電源作為后備電源，如同保護(hù)盾，負(fù)責(zé)調(diào)整電壓水平、管理散熱風(fēng)扇電源、采取保護(hù)措施以及開展開機(jī)自檢等。這些操作精妙地相互作用，以提供不間斷電源，保護(hù)器件，并延長整個(gè)系統(tǒng)的壽命。

輔助電源是為模擬和數(shù)字器件提供可靠補(bǔ)充電源的關(guān)鍵因素。隨著輔助電源技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心PSU和BBU的效率和安全性不斷提升，功耗不斷降低，推動創(chuàng)新達(dá)到新的高度。我們不斷變化的技術(shù)世界對電源的需求日益增長，而持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步是對這種需求的有力回應(yīng)，不僅塑造了我們的當(dāng)下，也影響著未來的電氣化。

本系列文章的每一篇都是一份全面的資源，提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo)，幫助設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程師獲得必要的見解，以便基于OCP ORV3 BBU提供的復(fù)雜規(guī)范構(gòu)建更智能、更可靠、更具成本效益的解決方案。為此，文中提供了詳盡的器件選型流程、周全的操作指南、工程設(shè)計(jì)方法以及具體的程序性建議。

參考文獻(xiàn)

1 David Sun?！伴_放計(jì)算項(xiàng)目開放機(jī)架V3 48 BBU 1.3版”。開放計(jì)算項(xiàng)目，2022年11月。

（來源：ADI公司，作者：Christian Cruz，應(yīng)用開發(fā)工程師,Ralph Clarenz Matoci?os，助理工程師)