明智選擇電源架構(gòu)

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(shè)備設(shè)計電源電路時必須考慮多方面的問題(從處理器功率調(diào)節(jié)要求到電源線的數(shù)量等種種問題)，最終選定滿足要求的“電源”架構(gòu)。更好的理解這些架構(gòu)，折衷考慮各種因素，將有助于為一個應(yīng)用選擇最佳實用方案。

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

電源分類及主要架構(gòu)

大多數(shù)電源都具有三個功能：將交流(AC)轉(zhuǎn)換為直流(DC)，將輸入與輸出隔離，對輸出電壓或電流進行調(diào)節(jié)。有些電源架構(gòu)將這三個功能集于一個裝置內(nèi)(如臺式PC電源)。而另一些架構(gòu)則可能對某個特定電路部分，提供額外的隔離或調(diào)節(jié)?？紤]到這些要求，可以將電源-轉(zhuǎn)換產(chǎn)品分成三大類別：AC/DC電源、隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器和非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。主要電源架構(gòu)見表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(zhí)行全部功率轉(zhuǎn)換。而后來的服務(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。它是利用簡單高效電路，產(chǎn)生一個高壓并在整個服務(wù)器機架內(nèi)分配，提高電源密度。

盡管設(shè)計人員可以采用一個AC/DC電源為整個機架供電，也可以在各自的電路板上采用更小的AC/DC轉(zhuǎn)換器，但現(xiàn)在大部分服務(wù)器是各層配備AC/DC 電源，實現(xiàn)供電。給整個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(zhàn)性的工作——可能會增加設(shè)計成本。而在電路板上采用AC/DC轉(zhuǎn)換器則是將高壓放在用戶可及的區(qū)域，這會帶來安全問題。

隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器

隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器將用戶、設(shè)備與危險電壓隔離，防止接地回路, 進行遞降轉(zhuǎn)換并調(diào)節(jié)輸出電壓。典型的轉(zhuǎn)換器通?？梢詫?nèi)部總線上48V電源轉(zhuǎn)換成適于計算機和電信設(shè)備使用的低電壓。

傳統(tǒng)模塊式“磚塊形”DC/DC轉(zhuǎn)換器處理的輸出電壓范圍介于36V-75V之間，可以為半導(dǎo)體器件提供經(jīng)隔離和調(diào)節(jié)的低電壓。有些制造商還提供特種DC/DC轉(zhuǎn)換器，稱為中間總線轉(zhuǎn)換器(intermediate bus converter)。這種器件不需要調(diào)節(jié)其輸出電壓，因為它是給可以進行最終調(diào)節(jié)的“下游”DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。

圖1  前端式電源給服務(wù)器系統(tǒng)機架的各層供電

圖2  載荷點轉(zhuǎn)換器可直接在微處理器、存儲器或接口電路等器件上進行良好的電壓調(diào)節(jié)

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(nèi)部總線的刀片和電路板上

非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器

非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器通常直接通過負載調(diào)節(jié)電壓。這種“載荷點”轉(zhuǎn)換器即使在大電流下以及遇到快速瞬變時仍能保持嚴密的調(diào)節(jié)。通常通用非隔離轉(zhuǎn)換器用于服務(wù)器中，其工作于12V總線上。

設(shè)計要求

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

成本

毫無疑問，元件的成本在任何電源及功率分配設(shè)計中均起著主要作用。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(shè)計方面的選擇因素考慮在成本之內(nèi)。

可用電源架構(gòu)

根據(jù)經(jīng)驗，在分配點上所需的功率越大，給該點提供的電壓就越高。使用高壓可以降低分配損耗、提高系統(tǒng)效率。但在整個服務(wù)器機架內(nèi)傳輸400V電壓則會增加安全問題，增大擊穿可能，同時需要過載防護，這些問題通常限制了專用高性能服務(wù)器使用400V電源。

更為典型的是，服務(wù)器系統(tǒng)所依賴的是一種將48V電壓分配到各個子系統(tǒng)的架構(gòu)，如電路板及刀片式服務(wù)器(見注釋)。在采用分布式電源架構(gòu)(DPA)的系統(tǒng)中，子系統(tǒng)從48V總線上獲得電源并采用DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生低壓。某些系統(tǒng)可能首先將48V電源轉(zhuǎn)換成中間電壓，一般為12V，然后利用附加DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(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，稱為中間總線架構(gòu)(IBA)。表2歸納了5種電源架構(gòu)的優(yōu)點和缺點。

基于中間總線架構(gòu)的服務(wù)器系統(tǒng)采用一塊電路板或總線，從前端式AC/DC電源到機架內(nèi)的子系統(tǒng)，傳送48V電源。例如，每個刀片式服務(wù)器都有一個48V至12V的轉(zhuǎn)換器，它再給載荷點(POL)轉(zhuǎn)換器供電。這種中間總線轉(zhuǎn)換器具有一個隔離阻擋層，因此POL轉(zhuǎn)換器無需提供隔離功能。在中間總線轉(zhuǎn)換器內(nèi)布置這種隔離電路，可以降低成本。分布式結(jié)構(gòu)非常適合需要多種電壓的應(yīng)用。

尺寸和位置

電源轉(zhuǎn)換電路放置的位置對設(shè)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(cè)高受限以及差的氣流圖，改進這些特性均可能需要使用高成本元器件，以滿足電源可靠性要求。如將AC/DC電源放置在機架底部通常比在單個機架層上進行AC/DC轉(zhuǎn)換需要更大的供電量。然而，盡管中心電源可能會提高電源分配系統(tǒng)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(yīng)商已經(jīng)為低側(cè)高應(yīng)用優(yōu)化了水平安裝的DC/DC轉(zhuǎn)換器，但較大功率服務(wù)器系統(tǒng)更適合使用垂直安裝的轉(zhuǎn)換器。垂直安裝的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(gòu)的服務(wù)器機架具有應(yīng)對所有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電源的特點——不管用戶需要配置多少電路板或刀片式服務(wù)器。即使用戶擴展系統(tǒng)，中心電源系統(tǒng)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(gòu)，每增添一塊電路板均需要為其提供轉(zhuǎn)換器，這是一種根據(jù)電源要求“現(xiàn)購現(xiàn)用”的方法。雖然后者可能有較低的初始成本，但考慮到擴展，如果裝滿整個機架，它的總成本則可能超過集中式電源構(gòu)架服務(wù)器。

設(shè)計和元器件重新使用

雖然設(shè)計人員的目標(biāo)是優(yōu)化每個系統(tǒng)的電源設(shè)計, 但成本迫使他們必須權(quán)衡考慮。假設(shè)一個制造商已經(jīng)大量購買了一種48V AC/DC 電源。工程技術(shù)人員則可以利用48V電源，再增加一個中間總線轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生其新設(shè)計要求的12V電源。在這種情況下，工程技術(shù)人員可能會發(fā)現(xiàn)很難證明開發(fā)和使用新單獨12V電源的開支是否合理。

可靠性

工程技術(shù)人員常常會因為可靠性和實用性而發(fā)生爭論。所有工程師都希望提供可在任何時間使用的可靠系統(tǒng)。崇尚“最低限度要求”的設(shè)計人員則極力推薦簡單、可靠的非隔離轉(zhuǎn)換器，它們可以提供冗余電源。如果一個刀片式服務(wù)器的本地轉(zhuǎn)換器失效，則系統(tǒng)可以將工作轉(zhuǎn)交給另一個刀片式服務(wù)器，同時技術(shù)人員可以替換故障部件。但如果沒有冗余板上轉(zhuǎn)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的考慮實用性，簡言之，個別故障，不管發(fā)生的可能性有多小，也不能讓系統(tǒng)停止工作。因此設(shè)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(tǒng)運轉(zhuǎn)。但崇尚“最低限度要求”的設(shè)計人員則認為，增加冗余電源電路可能因設(shè)計復(fù)雜化而降低可靠性。

除考慮子系統(tǒng)的可靠性外，工程師還必須縱觀整體系統(tǒng)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(shè)計冗余電源架構(gòu)就沒有任何益處。

結(jié)語

根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，考慮用戶需要、公司利益以及設(shè)計能力，參考上面對服務(wù)器電源架構(gòu)的探討，將有助于給出實用架構(gòu)的折衷方案?！?/p>

注：刀片服務(wù)器是指在標(biāo)準(zhǔn)高度的機架式機箱內(nèi)可插裝多個卡式服務(wù)器單元，實現(xiàn)高可用和高密度。每塊“刀片”實際上就是一塊系統(tǒng)主板。它們可以通過“板載”硬盤啟動自己的操作系統(tǒng)，如Windows NT/2000、Linux等，類似于一個個獨立的服務(wù)器，每個“刀片”均執(zhí)行專門的任務(wù)，如文件傳輸，為Web頁提供服務(wù)等等。在這種模式下，每一塊母板運行自己的系統(tǒng)，服務(wù)于指定的不同用戶群，相互之間沒有關(guān)聯(lián)。不過，管理員可以使用系統(tǒng)軟件將這些母板集合成一個服務(wù)器集群。在集群模式下，所有的母板可以連接起來提供高速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并同時共享資源，為相同的用戶群服務(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(tǒng)可以輕松地進行替換，并且將維護時間減少到最小。