Система и способ монтажа модульного блока питания в аппаратной стойке - RU2661675C2
Код документа: RU2661675C2
Чертежи
Описание
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка подана в пользу предварительной заявки США 62/008,197, поданной 5 июня 2014 года. Эта заявка также испрашивает приоритет китайской патентной заявки на изобретение №201310403989.6, поданной 6 сентября 2013 года. Полное раскрытие каждой из вышеуказанных заявок включено здесь в качестве ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к системам питания для энергоснабжения центров обработки данных и других электрических компонентов и, более конкретно, к конфигурируемому пользователем модульному блоку питания для подачи постоянного тока, по меньшей мере, на одну шину постоянного тока в аппаратной стойке, чтобы обеспечить питание различных компонентов оборудования, установленных в аппаратной стойке.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Заявления в данном разделе представляют лишь справочную информацию, относящуюся к настоящему изобретению, и не могут охватывать весь предшествующий уровень техники.
[0004] Центры обработки данных, в которых используются стандартные аппаратные стойки для монтажа оборудования, часто содержат, например, файловые серверы, которые могут быть заказаны и сконфигурирован с различными возможностями, которые влияют на количество энергии, которое будет потреблять каждый сервер. Таким образом, во многих случаях такие компоненты будут иметь источники питания, которые способны поставить гораздо больше энергии, чем это может быть необходимо. Например, каждый из трех смонтированных в стойке серверов может быть соединен с источником питания мощностью 1000 Вт, но один из них (например, включающий графические карты, карты памяти и т.д.) может быть рассчитан на потребление мощности всего 300 Вт, второй может быть сконфигурирован таким образом, что он потребляет всего 500 Вт, а третий может быть сконфигурирован на потребление 900 Вт. Если в стойке смонтированы только эти компоненты, то можно сделать вывод, что стойка снабжается достаточным объемом избыточной электрической мощности. Это явление также известно как "переизбыток мощности", и довольно часто имеет место в центрах обработки данных. Переизбыток мощности представляет собой добавленную стоимость эксплуатации для оператора объекта. Избыточная мощность также может привести к более высокой степени охлаждения оборудования стойки по сравнению с тем, что потребовалось бы при подаче к компонентам стойки только нужного количества энергии и, возможно, небольшого количества дополнительной мощности в качестве резерва. Более того, мощный источник питания внутри одной аппаратной стойки может стать причиной возникновения электромагнитных помех в смежных компонентах. Такие проблемы могут быть устранены, если все источники питания могут быть расположены в одном или нескольких конкретных местах или участках стойки. Но это невозможно в известном стоечном оборудовании центров обработки данных, где каждая стойка снабжена собственным источником питания.
[0005] Кроме того, когда должно быть выполнено изменение конфигурации оборудования, и один или несколько существующих в стойке компонентов влияет на величину потребляемой компонентом или компонентами мощности, эта операция может оказаться сложной для оператора центра обработки данных. Например, может возникнуть ситуация, когда для данного компонента, например, сервера, выполнено изменение конфигурации, чтобы добавить к компоненту одну или несколько карт, которые изменяют требования к источнику питания. Повышенные требования к питанию могут затем потребовать изменения цепи питания на сервере для размещения дополнительного источника (при условии, что имеющийся источник питания не обладает достаточным потенциалом, чтобы справиться с дополнительной нагрузкой по мощности). Система стойки, которая, в основном, обеспечивает независимые, настраиваемые пользователем источники питания, которые могут снабжать энергией различное другое установленное в стойках вычислительное оборудование, устройства памяти, сети и другие компоненты в данной стойке, существенно упростила бы внесение изменений в конфигурацию оборудования на каждой стойке, позволяя пользователю установить только нужное количество электроэнергии, которое требуется для новой конфигурации оборудования в стойке.
[0006] Наконец, в аппаратных стойках, которые содержат отдельные компоненты, которые имеют свои собственные источники питания, значительное количество энергии в каждой стойке тратится впустую. Так, например, если в каждой стойке устанавливаются три сервера, каждый из которых оснащен источником питания мощностью 1000 Вт, но каждый из них имеет такую конфигурацию, что он потребляет только 500 ватт, то в общей сложности 1,5 кВт не будут использованы (т.е. мы имеем "упущенную" мощность электропитания). Это может быть значительно больше необходимой дополнительной мощности. Если такая ситуация имеет место во множестве стоек, например в десятках или сотнях стоек внутри большого центра обработки данных, понятно, что общая упущенная мощность может представлять собой значительную дополнительную стоимость эксплуатации центра обработки данных.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В одном из вариантов воплощения настоящее изобретение относится к модульному блоку питания, имеющему форм-фактор, позволяющий монтировать, по меньшей мере, один из множества компонентов в аппаратной стойке. Модульный блок питания обеспечивает подачу питания на шину постоянного тока аппаратной стойки. Модульный блок питания может иметь шасси, включающее множество слотов, в которые может быть вставлено множество блоков питания постоянного тока. Входной блок переменного тока может быть использован для получения мощности переменного тока от внешнего источника питания переменного тока. Множество независимых модульных блоков питания постоянного тока, каждый из которых имеет форм-фактор, позволяющий вставить его в один из слотов шасси. Источники питания постоянного тока могут быть связаны с контроллером, размещенным внутри корпуса. Шина постоянного тока, размещенная в шасси, взаимодействует с источниками питания постоянного тока и передает мощность постоянного тока от источника питания постоянного тока на отдельную шину постоянного тока, расположенную в аппаратной стойке.
[0008] В другом варианте настоящее изобретение относится к модульному блоку питания, имеющему форм-фактор, позволяющий монтаж компонентов в одном или нескольких местах расположения деталей из множества таких мест в аппаратной стойке. Модульный блок питания обеспечивает питание постоянным током шины постоянного тока аппаратной стойки, которая распределяет энергию постоянного тока среди нескольких компонентов оборудования, установленного в различных местах аппаратной стойки. Модульный блок питания может содержать корпус, имеющий множество расположенных параллельно слотов, в которые может быть вставлено множество независимых источников питания постоянного тока. Внутри корпуса может быть расположен блок переменного тока для приема мощности переменного тока от внешнего источника питания переменного тока. Может быть смонтировано множество независимых модульных блоков питания постоянного тока, которые имеют общий форм-фактор, позволяющий вставить их в любой из слотов шасси. Модульный блок питания постоянного тока может включать, по меньшей мере, один модуль выпрямителя. Контроллер может быть связан с множеством источников питания постоянного тока и размещен в одном из слотов шасси. Шина постоянного тока, размещенная в шасси и соединенная с источниками питания постоянного тока, может передавать мощность постоянного тока с выхода источника питания постоянного тока на отдельную шину постоянного тока, расположенную в аппаратной стойке.
[0009] В еще одном варианте настоящее изобретение относится к способу обеспечения питания постоянным током шины постоянного тока аппаратной стойки, имеющей множество размещенных в ней компонентов. Аппаратная стойка предназначена для размещения одного или нескольких компонентов оборудования, смонтированного в различных местах аппаратной стойки, и для питания одного или нескольких компонентов оборудования с использованием энергии постоянного тока, подаваемой с шины постоянного тока аппаратной стойки. Способ может включать использование модульного блока питания постоянного тока, имеющего форм-фактор, позволяющий установить его, по меньшей мере, в одном месте расположения компонентов и обеспечить постоянный ток на шине постоянного тока аппаратной стойки. Может быть использовано множество модульных блоков питания постоянным током, которые устанавливаются в слотах шасси модульного блока питания постоянного тока, чтобы вырабатывать электроэнергию постоянного тока, передаваемую на шину постоянного тока аппаратной стойки. Также может быть использован контроллер, который выполнен с возможностью монтажа в одном из слотов шасси, чтобы взаимодействовать с источниками питания постоянного тока и управлять их работой. Также может быть использован входной блок переменного тока для сопряжения внешнего источника питания переменного тока с модульным блоком питания постоянного тока и для подачи переменного тока в указанный модульный блок питания постоянного тока.
[0010] Дополнительные области применения станут очевидными из описания настоящего изобретения. Следует понимать, что описание и конкретные примеры осуществления изобретения предназначены только для целей иллюстрации и не предназначены ограничить объем настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Чертежи представлены и описаны только в иллюстративных целях и в любом случае не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Ниже дается описание приложенных чертежей.
[0012] Фигура 1 - увеличенный перспективный вид одного варианта осуществления комплексной стойки с модульным блоком питания в соответствии с настоящим изобретением.
[0013] Фигура 2 - перспективный вид задней части модульного блока питания фигуры 1, показывающий источник постоянного тока и обратные шины.
[0014] Фигура 2А - увеличенный перспективный вид задней части модульного блока питания фигуры 2, показанный с подробностями разъемов, которые обеспечивают различные соединения с другими внешними компонентами.
[0015] Фигуры 3А и 3В - перспективные виды соединительной сборки, которая может быть использована в модульном блоке питания, показанным на фигуре 1 для соединения одного из модулей резервной батареи (BBU) или модулей выпрямителей с источником постоянного тока и обратными шинами, а также с шиной связи для соединения с платой контроллера системы (SCC).
[0016] Фигура 4 - перспективный вид одной из клеммных колодок для ввода переменного тока, используемых в модульном блоке питания, который позволяет пользователю настроить модульный блок питания таким образом, что некоторые конкретные источники питания входного блока получают предопределенный входной сигнал переменного тока.
[0017] Фигура 5 - перспективный вид спереди модульного блока питания, показанного на фигуре 1, иллюстрирующий одну конфигурацию для группирования слотов шасси модульного блока питания таким образом, что мощность переменного тока может подаваться от каждого из трех входных клеммных колодок переменного тока к трем отдельным группам источников питания.
[0018] Фигура 6 - блок-схема высокого уровня, иллюстрирующая модульный блок питания, показанный на фигуре 1 с одним примером компоновки внутренних компонентов устройства.
[0019] Фигура 7 - график, показывающий, как может быть установлен «потолок» максимальной выходной мощности, доступной из четырех модулей резервной батареи (далее «модули BBU») на стадии увеличения мощности, чтобы обеспечить подачу дополнительной мощности к модулям выпрямителей для удовлетворения кратковременных требований повышения мощности.
[0020] Фигура 8 - перспективный вид высокого уровня одного модуля выпрямителя с выходом 12 вольт, который может быть использован в модульном блоке питания Фигуры 1.
[0021] Фигура 9 - перспективный вид модуля резервной батареи с выходом 12 вольт постоянного тока (модуль BBU), которая также может быть использована в модульном блоке питания, показанным на фигуре 1.
[0022] Фигура 10 - блок-схема одного из вариантов воплощения модуля BBU.
[0023] Фигура 11 - блок-схема, иллюстрирующая внутренние подсистемы и компоненты одного варианта модуля выпрямителя.
[0024] Фигура 12 - блок-схема одного из вариантов платы контроллера.
[0025] Фигура 13 - блок-схема другого варианта воплощения настоящего изобретения, в котором основная система электропитания включает две дополнительные системы питания.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Последующее описание имеет чисто иллюстративный характер и не предназначено для ограничения настоящего изобретения или его использования. Следует понимать, что на всех чертежах одинаковые цифровые позиции обозначают аналогичные элементы и признаки.
[0027] На фигуре 1 показан монтируемый в стойке модульный блок питания 10 постоянного тока (DC) (в дальнейшем просто "модульный блок питания 10") в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. Модульный блок питания 10 можно рассматривать как сформированную "систему электропитания", предоставляющую пользователю устанавливаемую выходную мощность постоянного тока на шине постоянного тока обычной аппаратной стойки. Выход постоянного тока может быть использован для питания любой другой аппаратной стойки из широкого спектра стоек центра обработки данных или ИТ-компонентов, таких как серверы, сетевые коммутаторы, переключатели RVM, маршрутизаторы, системы вентиляторов и т.д.
[0028] Модульный блок питания 10 может включать шасси 12, имеющее в данном варианте девять независимых слотов 14 для приема и удержания в них конфигурируемой комбинации модулей питания, каждый из которых может представлять собой либо модуль выпрямителя 16 и/или модуль резервной батареи (BBU) 18, а также слот для платы контроллера 20. Для удобства чтения, модули выпрямителей 16 и модули BBU 18 в последующем обсуждении могут в некоторых случаях называться в совокупности как "модули питания 16 и/или 18", а модуль выпрямителя 16 как «выпрямитель 16».
[0029] В примере, показанном на фигуре 1, модульный блок питания 10 имеет высоту 3 дюйма и ширину 19 дюймов, хотя эти размеры могут быть изменены, чтобы соответствовать различным размерам стоек. Модульный блок питания 10 в этом примере показан в виде трех модулей выпрямителей 16 и шести модулей BBU 18, хотя, как было упомянуто выше, эта комбинация полностью конфигурируется пользователем. Плата контроллера 20 в данном примере имеет конфигурацию 1''×3'' (высота).
[0030] На фигуре 2 показан модульный блок питания 10 в виде сзади. В нем предусмотрены шина постоянного тока DC+ 22а и обратная шина питания 22b, которые могут быть подключены к шине постоянного тока в аппаратной стойке. Шина питания DC 22а и обратная шина питания 22b могут быть толщиной 1/8 дюйма и иметь медное покрытие. Отверстия 24а в данной конструкции служат для прохода до трех отдельных кабелей питания переменного тока, которые проходят через крышку 24.
[0031] Фигура 2А представляет собой увеличенный вид части задней стенки модульного блока питания 10 для иллюстрации различных соединителей, которые могут быть использованы для соединения с блока питания с внешними компонентами. Соединитель 25а обеспечивает соединение с независимым компонентом, например с удаленным узлом доступа или сервером, чтобы информировать компонент питания на блоке управления о наличии такого соединения. Он может обеспечить уведомление компонента о том, что мощность модульного блока питания 10 будет отключена в течение короткого времени (например, в пределах 10 мс). Соединитель 25b может быть использован для подключения к системе внешнего управления стойкой (RMS) или к прибору дистанционного доступа (например, к универсальному шлюзу управления (UMG)). Соединитель 25с обеспечивают соединение соответствующих кабелей (не показаны) с шиной связи платы контроллера 20 (например, с шиной сети контроллеров (CAN), которая должна быть подключена к модульному блоку питания 10, чтобы обеспечивать связь с платой контроллера 20. Предпочтительно каждый модульный блок питания 10 включает два соединителя 25с для параллельного подключения нескольких модульных блоков питания 10. Таким образом, плата контроллера 20 может быть соединена с каждым из модулей питания 16 и/или 18, установленных в корпусе 12. Соединители 25d являются дополнительными элементами, которые могут быть использованы для других входов (например, датчиков), соединяемых с платой контроллера 20 модульного блока питания 10.
[0032] На фигурах 3А и 3В показана сборка соединителей 26, которая может быть использована для соединения выхода постоянного тока от одного из модулей 16 или 18 источника питания с шиной постоянного тока 22а и 22b, а также для обеспечения связи с платой контроллера 20. Сборка соединителей 26 включает первый соединительный компонент 26а и второй ответный соединительный компонент 26b. Первый соединительный компонент 26а может подключаться к подходящему краевому соединителю 27а на печатной плате (РСВ) 27 одного из модулей питания 16 или 18. Таким образом, первый соединительный компонент 26а получает питание постоянного тока от данного источника питания 16 или 18, и также подключается к линии управления (не показана) данного модуля питания 16 или 18. Множество штырьков 26с формируют линии управления, которые могут быть использованы для обмена данными с платой контроллера 20. Штырьки 26d могут быть использованы для установления соединения с источником питания переменного тока. Штырьки 26е обеспечивают ввод тока в печатную плату РСВ 27, чтобы обеспечить сигнал постоянного тока, который должен быть передан на модуль питания постоянного тока 16 или 18, чтобы постепенно довести блок до нужного напряжения постоянного тока, когда модуль 16 или 18 вставляют в шасси 12.
[0033] На фигурах 3А и 3В показан второй соединительный компонент 26b, который включает контактные элементы, например медные штырьки 26f, которые приспособлены для взаимодействия с положительной шиной постоянного тока 22а и с обратной шиной питания 22b, чтобы, таким образом, соединить выход постоянного тока данного модуля питания 16 или 18с шиной 22а через соединительный элемент 26. Штырьки 26f взаимодействуют со штырьками 26i первого соединительного компонента 26а. Первый соединительный элемент 26а также имеет штырьки 26g1 (фигура 3В), которые могут быть связаны с соединителями 26g. Соединители 26g могут быть соединены с помощью соответствующего кабеля (не показан), чтобы обеспечить связь с платой контроллера 20. Штырьки 26g взаимодействуют через соединительный элемент 26а со штырьками 26с краевого соединителя 27а. Штырьки 26h первого соединительного элемента 26а могут быть использованы для получения переменного тока от внешнего источника и для подачи переменного тока на штырьки 26d от краевого соединителя 27а. Штырьки 26j первого соединительного элемента 26а могут взаимодействовать со штырьками 26е краевого соединителя 27а.
[0034] Существенным преимуществом модулей питания 16 и 18 является то, что они обеспечивают "горячую замену". Под этим подразумевается, что они представляют собой модули вставного типа, которые можно без ущерба вставлять и вынимать из работающей системы питания постоянного тока. Когда один из модулей питания 16 или 18 вставляется в шасси 12 и соединяется с помощью соединительного элемента 26, выходное напряжение системы не изменяется.
[0035] На фигуре 4 показан входной блок 28 питания переменного тока (блок АС), который примыкает к одному из отверстий 24а в крышке 24 на фигуре 2. Входной блок АС 28 может обеспечить питание однофазным током напряжением 208 вольт, трехфазным током напряжением 480 вольт и трехфазным током напряжением 208 вольт. Каждый входной блок АС 28 обеспечивает питание переменным током модули питания 16 и/или 18, вставленные в три конкретных слота из девяти слотов 14 шасси 12. В примере на фигуре 5, первый из входных блоков АС 28 может обеспечить подачу переменного тока в модули питания 16 и/или 18, вставленные в слоты 14а-14с шасси, второй блок АС 28 может обеспечить подачу переменного тока в модули питания 16 и/или 18, вставленные в слоты 14d-14f шасси, и третий блок АС 28 может обеспечить подачу переменного тока в модули питания 16 и/или 18, вставленные в слоты 14g-14i шасси. Таким образом, три различные конфигурации входных источника питания переменного тока могут быть использованы для подачи тока в модули питания 16 и/или 18, расположенные в модульном блоке питания 10.
[0036] На фигуре 6 представлена блок-схема, иллюстрирующая модульный блок питания 10, как пример того, как модули выпрямителей 16, модули BBU 18, плата контроллера 20, шины 22а и 22b постоянного тока и входные блоки 28 переменного тока могут быть размещены в шасси 12 модульного блока питания 10. в этом примере модули выпрямителей 16 расположены в местах 14а-14е шасси и модули BBU 18 расположены в местах 14f-14i шасси. Модульный блок питания 10 может быть сконфигурирован с целью обеспечения желательной для пользователя максимальной выходной мощности. В одном примере, каждый из модулей 16 и 18 обеспечивает выходную мощность 3000 кВт (250 ампер на 12 вольт постоянного тока), и девять модулей 16 и/или 18 обеспечивают общую выходную мощность 24000 кВт (2000 ампер на 12В) с резервом N+1. В связи с этим следует отметить, что пользователь, как правило, настраивает модульный блок питания 10 таким образом, что устройство в состоянии обеспечить немного больше энергии, чем то, как ожидается, будет использоваться. Таким образом, в этом примере, пользователь, как правило, может заполнить аппаратную стойку компонентами, которые предположительно не будут потреблять мощность, не превышающую 24 кВт, а модульный блок питания 10 будет способен обеспечить мощность 27 кВт (если используются все девять модулей питания 16 и/или 18), или 24 кВт с резервом N+1 (т.е. выход одного из девяти модулей 16 блока питания и/или 18, который обычно выключен, но доступен, если возникнет такая необходимость). Тем не менее, следует понимать, что выходы модулей питания 16 и 18 могут быть изменены, чтобы обеспечить различные уровни мощности (но по-прежнему те же 12 вольт) на шине постоянного тока в аппаратной стойке.
[0037] Модульный блок питания 10 может принимать входной сигнал однофазного или трехфазного переменного тока. Может быть подключен одножильный или двухжильный кабель. Если используется одножильный кабель, выходная мощность модульного блока питания 10 в этом примере будет составлять либо 24 кВт с резервом N+1, либо 12 кВт с резервом N+N. Если используется двухжильный кабель переменного тока, то выход будет составлять 9 кВт с резервом N+1 на каждую ножку. Таким образом, когда используются один модуль выпрямителя 16 и один BBU модуль 18, отношение модулей выпрямителей 16 к модулям BBU 18 составляет 1:1, так что будет доступно 3 кВт мощности с доступным временем удержания мощности 90 секунд. В качестве другого примера, когда используются два модуля выпрямителей 16 с одним модулем BBU 18, то обеспечивается выход 6 кВт с резервом удержания мощности 3 кВт в течение 90 секунд.
[0038] Общая плотность мощности модуля выпрямителя 16 и модуля BBU 18 обеспечивает широкий диапазон регулирования мощности и должна быть доступна дополнительная мощность выпрямителей 16 для удовлетворения спроса на дополнительную мощность для переходных процессов. Пример такого случая показан на графике фигуры 7. На этом графике показана выходная мощность, полученная от модульного блока питания 10 сконфигурированного с пятью модулями выпрямителей 16 мощностью 3 кВт каждый с общей мощностью 15 кВт и 4 модуля BBU 18 мощностью 3 кВт каждый с общей мощностью 12 кВт. Тем не менее, в этом примере выход четырех BBU 18 был ограничен максимальной мощностью 2 кВт, доступной для удовлетворения спроса на дополнительную мощность в течение короткого времени сверх того, что эти 5 модулей 16 способны обеспечить. Таким образом, несмотря на то, что модули выпрямителей 16 модульного блока питания могут поставить 15 кВт, дополнительные 2 кВт могут быть поданы из модулей 18 резервной батареи, чтобы удовлетворить краткосрочную потребность в электроэнергии, связанную с переходным процессом (обычно порядка микросекунд или миллисекунд), которые превышают то, что модули выпрямителей 16 способны обеспечить. Предполагается, что эта функция значительные снизит эксплуатационные затраты за счет снижения необходимости "сверхобеспечения" модульных блоков питания 10 дополнительными модулями выпрямителей 16 для покрытия ожидаемого малого периода переходных процессов, которые вызывают временное увеличение передаваемой мощности, превышающие возможности выпрямителей 16 в обычном режиме. Таким образом, модуль BBU 18 может быть использован для выполнения двух функций: (1) обеспечить определенную степень краткосрочного "повышения мощности» модулей выпрямителей 16 и (2), обеспечить поддержание мощности в случае прекращения подачи тока от источника переменного тока к блоку модульного блока питания 10.
[0039] Описанная выше Функция повышения мощности, может быть реализована с помощью платы контроллера 20, который контролирует уровень заряда батареи модуля BBU 18. При условии, что уровень заряда батареи находятся на минимальном заданном значении, плата контроллера 20 может послать сигнал на каждый из модулей BBU 18, которые дает им возможность включить резервное питание системы, когда напряжение на шине 22а +DC мгновение падает ниже предопределенного минимального уровня, что указывает, например, на имеющий место переходной процесс. Когда происходит такой переходной процесс, ограниченное количество энергии от модуля BBU 18 практически мгновенно передается на шину +DC 22а, чтобы дополнить выход модуля выпрямителя 16.
[0040] Пример, приведенный на фигуре 7, также дает понять, что если максимальный выход от модуля BBU 18 может быть покрыт в степени меньше максимальной мощности, доступной от модуля BBU (в данном примере мощность ограничена 2 кВт), это означает, что пользователь имеет возможность конфигурировать модули BBU и обеспечить время поддержки, которое значительно больше 90 секунд. Опять же, если входная мощность переменного тока потеряна, 4 модуля BBU 18 в этом примере могут быть ограничены по мощности 3 кВт, хотя в противном случае был бы доступен максимум 12 кВт. В результате, продолжительность поддержки будет значительно больше, чем 90 секунд, возможно, в 4 раза до тех пор, пока используется только одна четверть максимальной доступной мощности на выходе модулей BBU. Таким образом, эта возможность ограничить максимальную мощность, доступную от всего модуля BBU 18 в модульном блоке питания 10 некоторой предопределенной величиной, которая меньше максимальной доступный мощности, предоставляет пользователю широкий диапазон регулирования мощности путем настройки модульного блока питания 10.
[0041] На фигуре 8 показан пример форм-фактора для одного модуля выпрямителя 16. Каждый модуль выпрямителя 16 может иметь форм-фактор с единицей ширины (U) 1 на 3 единицы высоты (3U) × 450 мм глубины. Модуль выпрямителя 16 может обеспечивать фиксированное выходное напряжение 12 вольт постоянного тока, который в одном варианте воплощения обеспечивает 3000 кВт. Конечно, модуль выпрямителя 16 может быть сконструирован так, чтобы обеспечить большую или меньшую выходную мощность в зависимости от потребностей пользователя. На Фигуре 9 показан один вариант воплощения модуля BBU 18. В этом варианте воплощения модуль BBU 18 имеет такой же форм-фактор, как и модуль выпрямителя 16 (т.е., 1U × 3U × 450 мм глубины). Следует отметить, что модуль выпрямителя 16 или модуль BBU 18 или они оба могут быть сконфигурированы с форм-фактором 2U по ширине, чтобы занимать два места в шасси 12, а не одно. Однако общий форм-фактор позволяет делать модули выпрямителей 16 и модули BBU 18 взаимозаменяемыми, если возникнет такая необходимость. Например, предположим, что пользователь желает изменить первоначальную конфигурацию модульного блока питания 10 от 6 модулей выпрямителей и 3 модулей BBU 18 до 4 модулей выпрямителей и 5 модулей BBU.
Это может быть достигнуто путем простого удаления двух модулей выпрямителей 16 и вставки двух дополнительных модулей BBU 18 в соответствующие слоты в шасси 12. Общий форм-фактор позволяет менять модули выпрямителей 16 и модули BBU 18, которые будут подобраны пользователем в любой желательной конфигурации. Эта функция особенно полезна, когда в аппаратной стойке были изменены компоненты оборудования, которые требуют изменения требований к питанию по постоянному току. Возможность перенастроить модульный блок питания 10, просто удалив один или несколько модулей выпрямителей 16 и/или модулей BBU 18, и заменив удаленные модули дополнительными модулями выпрямителей 16 или модулями BBU 18 может значительно сэкономить время реконфигурации модульного блока питания 10 при создании новой конфигурации оборудования в аппаратной стойке.
[0042] В одном из вариантов воплощения каждый из модулей выпрямителей 16 имеет постоянную расчетную мощность, и это означает, что в пределах нормального диапазона рабочих температур окружающего воздуха и заданного входного напряжения, максимальная выходная мощность будет доступна в заданном объеме (например, 3000 Вт). В одном примере воплощения модули выпрямителей 16 могут работать этом диапазоне в одном из трех рабочих режимов в зависимости от требований по нагрузке. Если температура окружающего воздуха поднимается выше нормы или входное напряжение упадет ниже допустимых значений, выпрямители 16 могут продолжать работать, но на пониженном уровне выходной мощности. В качестве одного примера, можно привести описание трех режимов по мощности.
[0043] Режим постоянной мощности по напряжению: для любой начальной установки выходного напряжения от 12 до 13,2 В постоянного тока выходное напряжение остается постоянным независимо от нагрузки. Это нормальное рабочее состояние, в котором обеспечивается покрытие нагрузки и батарея подзаряжается. Модуль выпрямителя 16 работает в режиме постоянного напряжения, если нагрузка не увеличением до точки, где произведение тока нагрузки и выходного напряжения составляет примерно 3000 Вт.
[0044] Режим постоянного питания: в этом случае если нагрузка увеличится свыше 3000 Вт, выходной ток продолжает расти, но напряжение на выходе уменьшается по мере необходимости для поддержания постоянной выходной мощности. Модуль выпрямителя 16 работает в режиме постоянной мощности, если нагрузка не достигает точки предельного тока, требующего настройки.
[0045] Режим постоянного тока: если нагрузка увеличивается до установленного предельного значения тока, выходное напряжение линейно уменьшается, чтобы поддерживать выходной ток на установленном предельном уровне тока.
[0046] Обратимся к фигуре 10, где конструкция модуля BBU 18 будет обсуждена более подробно. Как отмечено выше, важной особенностью модульного блока питания 10 является то, что модуль BBU 18 способен обеспечить такую же плотность мощности, как и мощность, обеспечиваемая модулем выпрямителя 16. В одном варианте плотность мощности модуля BBU 18 составляет около 20 Вт/дюйм3. Это отношение 1:1 плотности мощности между выпрямителем 16 и модулем BBU 18 обеспечивает легкую взаимозаменяемость этих двух компонентов. В одном варианте воплощения модуль BBU 18 может включать высоковольтный преобразователь амплитуды синусоидального напряжения ("HV SAC") 18а, модуль коррекции мощности (PEC) 18b, импульсный регулятор ZVS ВВ 18с, используемый при нулевом напряжении (ZVS), множество элементов батареи 18d и импульсный регулятор напряжения ZVS 18е. Модуль HV SAC 18а может быть шиной конвертера, который получает вход постоянного тока в диапазоне 360-400 вольт постоянного тока и обеспечивает полностью изолированный выход 45-50 В, 325 Вт.Модуль PFC 18b может работать как устройство для непрерывной подзарядки малым током аккумуляторов 18D. Модуль ZBS ВВ 18с может быть высокоэффективным преобразователем ZBS. Каждый из модулей HV SAC 18а, модуля ZBS ВВ 18с и импульсного регулятора напряжения ZBS 18е поставляется компанией Vicor Custom Power, Андовер, Массачусетс, США. Модуль ВВ 18с может работать от предопределенного входа, например от входя 38-55 В постоянного тока, чтобы создать предопределенное регулируемое напряжение, например 5-55 В постоянного тока на выходе. Импульсный регулятор ZBS 18с обеспечивает работу с высокой частотой переключения (~1 МГц) и с высокой эффективностью преобразования. Высокая частота переключения уменьшает размер реактивных компонентов, обеспечивающих плотность мощности до 1300 Вт/дюйм. Импульсный регулятор ZBS 18е может содержать группу из шести микромодулей 3623 (40×23×7,3 мм) для приема входа 36-60 В постоянного тока и имеющих динамический диапазон 11-13В постоянного тока с уставкой 12В на выходе 42А (каждого модуля).
[0047] В "режиме ожидания" (зарядка батареи) импульсный регулятор ZBS 18е выключен, и система питания 12 вольт получает энергию от других компонентов модульного блока питания 10 (для удобства она обозначена на чертежах просто как "магистральная энергосистема". Модуль HV SAC 18а получает питание непосредственно от входа постоянного тока или через модуль повышения напряжения PFC 18b от сети переменного тока. Модуль 18а HV SAC имеет изолированный выход (360-400В/8=45-50 В), соединенный с импульсным регулятором ZBS 18с, который заряжает батарею 18d. Профиль зарядки батареи, измерение и общее управление должно осуществляться снаружи модулей BBU 18.
Если напряжение шины постоянного тока падает ниже заранее заданного уровня, вводится режим резервирования. В этом случае входная линия модуля BBU 18 исчезает или будет получен соответствующий флажок и включается импульсный регулятор ZBS 18е, который обеспечивает регулируемое выходное напряжение 12 В постоянного тока силой 250 ампер.
[0048] На фигуре 11 оказан один вариант воплощения модуля выпрямителя 16. Модуль выпрямителя 16 может включать фильтр подавления электромагнитных и радиопомех (входная цепь EMI 16а), схему плавного пуска 16b, безмостовой корректор коэффициента мощности PFC 16с, преобразователь постоянного тока в постоянный ток (схема DC/DC 16d, выходную цепь EMI 16е и цифровой сигнальный процессор DSP 16F. Входная цепь EMI 16а обеспечивает фильтрацию сети переменного тока и помогает предотвратить любые ложные сигналы в линии питания переменного тока. Схема плавного пуска 16b позволяет включать входной блок конденсаторов (не показан) безмостовой цепи PFC 16с и преобразователь DC/DC 16d контролируемым образом, чтобы избежать отключения других входных выключателей или предохранителей. Безмостовая цепь PFC 16с обеспечивает коррекцию коэффициента мощности. Преобразователь DC/DC 16d получает напряжение постоянного тока от внутреннего блока конденсаторов и преобразует его в напряжение 12 В постоянного тока путем синхронного выпрямления. Выходная цепь EMI 16е обеспечивает фильтрацию выходного сигнала, подавление пульсаций и шумоподавление на рельсе VDC 12 (не показан) модуля выпрямителя 16. Процессор DSP 16f, в дополнение к управлению другими компонентами модуля выпрямителя 16, обсужденными выше, может контролировать температуру критических компонентов и температуру окружающей среды, а также получать данные от других компонентов для выполнения системой служебных функций. Локальная сеть контроллеров (CAN) приемопередатчика 16g обеспечивает связь модуля выпрямителя 16с платой контроллера 20. Аппаратно-программное обеспечение PFC 16h и DC/DC 16i может быть встроено в процессор DSP 16f. Модуль выпрямителя 16 имеет следующие технические характеристики:
[0049] расчетное входное напряжение переменного тока примерно от 176 до 310 вольт переменного тока;
[0050] диапазон рабочих температур от -20°С до 45°С;
[0051] имеет класс А ЭМС (электромагнитной совместимости);
[0052] максимальный КПД, по меньшей мере, 94%;
[0053] распределение нагрузки около 5% от полной нагрузки;
[0054] обеспечивает регулирование напряжения +/- 1%;
[0055] время переходного процесса менее 200 микросекунд и перерегулирование менее 5%;
[0056] порог по току 100%;
[0057] задержку времени около 10 мс;
[0058] полный размах напряжения шума 50 мВ (20 МГц); и
[0059] имеет рейтинг безопасности UL 60950.
[0060] Каждый модуль BBU 18, в одном варианте воплощения, имеет следующие характеристики:
[0061] фиксированный выход 12 В постоянного тока;
[0062] выходная мощность 3 кВт;
[0063] диапазон входного напряжения переменного тока от 200 до 310 вольт переменного тока;
[0064] диапазон рабочей температуры примерно от 0°С до 45°С;
[0065] ЭМС рейтинг класса А;
[0066] регулирование напряжения в пределах +/- 5%;
[0067] граница отключения 11,4 В постоянного тока;
[0068] технология батарей - литиевые батареи;
[0069] время удержания режима около 90 секунд; и
[0070] время перезарядки около 100 минут или меньше.
[0071] На фигуре 12 представлена блок-схема одного варианта воплощения платы контроллера 20. Плата контроллера 20 обеспечивает связь модулей 16 и/или 18 модульного блока питания 10, а также связь с подсистемами (например, датчиками) за пределами модульного блока питания, которые могут потребоваться для соединения с модульным блоком питания. Плата контроллера 20 в данном примере может иметь форм-фактор 95 мм высоты на 444,5 мм глубины. Если модульный блок питания 10 предназначен для обеспечения электроэнергией более одной шины постоянного тока, могут быть использованы нескольких плат контроллеров 20, по одной для каждой шины постоянного тока с питанием от блока 10. Если предусмотрены три модульных блока питания 10, все вместе они могут обеспечить электроэнергией до 27 модулей 16 и/или 18.
[0072] Плата контроллера 20 может включать материнскую плату 20а, имеющую установленный на ней процессор 20b. Для связи через сеть Интернет может быть предусмотрена дополнительная плата 20с. Может быть также установлена подсистема 20d с интерфейсом MMI «человек-машина» для связи системы с пользователем. Может быть включена дополнительная входная плата 20е для оказания помощи плате контроллера 20 при сборе цифровых и аналоговых данных с входов и выходов других компонентов (например, датчиков), подключенных к аппаратной стойке. Дополнительная плата 20f может быть использована для оказания помощи материнской плате 20а при получении информации от других плат или внутренних компонентов платы контроллера 20. Еще одна дополнительная входная плата 20g может быть использована для обработки будущих входов от других устройств, датчиков и т.д., которые могут быть подключены к материнской плате 20а. Также может быть использован интеллектуальный блок распределения модулей SMDU 20h для сбора информации и данных или для обеспечения дополнительных функций управления.
[0073] Связь между платой контроллера 20 и модулями 16 и/или 18 может, например, поддерживаться по протоколу GBB CAN. Протокол может быть расширен, чтобы добавить данные, отправленные в модули BBU 18 и полученные из них. Модульный блок питания 10 может также быть связан с системой управления стойкой (RMS), поставляемой компанией Emerson Network Power Systems, которая объединяет доступ к электрическим компонентам аппаратной стойки, а также к другим компонентам, используемым в центре обработки данных. Связь с RMS может быть обеспечена платой контроллера 20.
[0074] Плата контроллера 20 также помогает пользователю понять, какая мощность модульного блока с питания 10 должна быть использована в настоящий момент с тем, чтобы пользователь мог бы иметь больше возможностей для планирования и расширения центра обработки данных. Плата контроллера 20 также может обеспечить информацию и/или возможности для пользователя по следующим темам:
[0075] насколько близко к максимальной мощности модульный блок питания 10 работает в настоящее время, и видеть текущее использование мощности в процентах от общей доступной мощности модульного блока питания 10;
[0076] имеются какие-либо сигналы, указывающие на проблему, связанную с модульным блоком питания 10;
[0077] имеет ли входное напряжение переменного тока нужную величину,
[0078] обеспечивает ли каждый модульный блок питания 10 ожидаемый выход постоянного тока;
[0079] соответствует ли фактическая конфигурация каждого из модульных блоков питания 10 расчетной конфигурации;
[0080] как долго модули BBU 18 блока питания 10 будут поддерживать другие компоненты, смонтированные в стойке и обеспечиваемые энергией от блока питания;
[0081] сколько времени потребуется для модуля BBU 18 для подзарядки одного или нескольких блоков питания 10;
[0082] позволяет пользователю выключить любой один или несколько модульных блоков питания 10 для внесения изменений в конфигурацию системы или монтаж других компонентов в блоке или аппаратной стойке;
[0083] позволяет пользователю тестировать батарею, чтобы гарантировать, что модули BBU 18 любого из модульных блоков питания 10 обеспечат необходимое электропитание при прекращении подачи питания переменного тока;
[0084] позволяет пользователю снять все аварийные сигналы после изучения одного или нескольких аварийных сигналов, поступивших от одного или нескольких модульных блоков питания 10;
[0085] позволяет пользователю сбросить модульные модули питания 10 в исходное состояние для поиска неисправностей или для проверки, что после выключения и включения питания блок будет запущен в нормальном режиме;
[0086] позволяет пользователю регулировать количество поступающего переменного тока, используя систему питания постоянного тока таким образом, что мощность переменного тока будет учитываться и регулироваться;
[0087] позволяет пользователю установить нужную конфигурацию, в которой модульный блок питания 10 сможет обеспечить подачу аварийных сигналов, если какие-либо из модулей питания 16 и/или 18 выходят из строя или если модульный блок питания 10 работает без модулей 16 и/или 18, которые находятся на месте;
[0088] позволяет пользователю управлять количеством энергии, которую обеспечивает система питания постоянного тока с тем, эффективно снизить затраты на энергопотребление и коммунальные услуги; и
[0089] позволяет пользователю установить нужный температурный режим для защиты оборудования аппаратной стойки от перегревания.
[0090] В конфигурациях с удаленным доступом RMS плата контроллера 20 может быть связана с устройством RMS через сеть Ethernet по протоколу администрирования сети (SNMP). В конфигурациях без RMS, плата контроллера 20 может обеспечить связь, по сети Ethernet, используя, например, протокол SNMP или интеллектуальный интерфейс управления платформой (IPMI).
[0091] На фигуре 13 представлена система электропитания 100 в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения. Компоненты, общие с модульным блоком питания 10, обозначены цифровыми позициями, увеличенными на 100 по сравнению с позициями, используемыми для описания модульного блока питания 10.
[0092] Система электропитания 100 в этом примере включает основной модульный блок питания 102 и, по меньшей мере, один дополнительный блок питания 104а. На фигуре 13 показаны два таких дополнительных модульных блока питания 104а и 104b, используемые вместе с основным блоком питания 102. Основной блок питания 102 в этом примере может быть подобен или идентичен модульному блоку питания 10 в том, что он может включать один или несколько модулей выпрямителей 116, один или нескольких модулей BBU 118 и карту системного контроллера (SCC) 120. Альтернативно, система 100 может содержать только модули BBU 118 или только выпрямители 116 вместе с SCC 120. Основной блок питания 102 в этом примере может обеспечить ток 2000 А при 12 вольтах постоянного тока (с избытком N+1) и может вместить в общей сложности до девяти модулей питания 116 и/или 118. Может быть использовано множество входных соединителей переменного тока (не показаны) для желательных входов переменного тока (например, 208/240 В переменного тока, однофазные входы переменного тока, или вход 3-фазного тока 208-240 В, или вход 277/480 В переменного тока с 4-проводным входом с каналами +РЕ АС или однофазный вход 200/208/240 В переменного тока).
[0093] Со ссылкой на фигуру 13, следует отметить, что дополнительные блоки питания 104а и 104b не включают модуль SCC 120. Вместо этого можно использовать SCC 120 основного блока питания 102, например, шину CAN, связанную с каждым из дополнительных блоков питания 104а и 104b. Это достигается с помощью соответствующего кабеля, который соединяет порт шины CFN 106 основного блока питания 102 с первым портом шины CAN 108а дополнительного блока питания 104а, и другого кабеля, который соединяет второй порт шины CAN 108b дополнительного блока питания 104а с портом шины CAN 109 дополнительного блока питания 104b.
[0094] Основной блок питания 102 может также включать порты 106а и 106b обнаружения отказа источника питания, которые соединены с портами обнаружения отказа дополнительных блоков питания 104а и 104b, соответственно. Это позволяет основному блоку питания 102 обнаружить любой сбой в работе дополнительных блоках питания 104а или 104b.
[0095] Основной блок питания 102 может иметь дополнительные порты, например порты 106с для аварийного выключения питания, т.е. немедленного отключения основного блока питания 102 в случае подачи команды на переход к резервному питанию ("ЕРО") от оператора ИТ или от внешнего оборудования. Кроме того, дополнительные порты могут включать порт 106d удаленного датчика, который может быть подключен к внешней цепи и к порту 106е "неизбежного сбоя питания", сообщающим об условиях неминуемого сбоя питания для других внешних устройств. Шина 106f постоянного тока может взаимодействовать с шиной постоянного тока в аппаратной стойке. Точно так же, каждый из дополнительных блоков питания 104а и 104b может иметь свои собственные шины DC 108D и 109b, соответственно, для подачи питания на шину постоянного тока в аппаратной стойке.
[0096] Способность основного блока питания 102 управлять двумя дополнительными блоками 104а и 104b, которые не требуют своей собственной схемы управления SCC 120, позволяет пользователю расширить систему 100 для удовлетворения меняющихся потребностей питания в данной аппаратной стойке. Таким образом, модульный блок питания 10 по настоящему изобретению обеспечивает источник питания постоянного тока, который может быть сконфигурирован пользователем по выбранным характеристикам, относящимся к общей выходной мощности и времени удержания. Модульная природа модулей выпрямителей 16 и модуля BBU 18, а также их общий форм-фактор и плотность мощности позволяет быстро и легко заменить эти компоненты при необходимости. Это также позволяет пользователю быстро и легко реконфигурировать модульный блок питания 10 по мере необходимости в случае изменения оборудования в аппаратной стойке. Предполагается, что модульный блок питания 10 устранит тенденцию использования избыточной мощности в конкретной аппаратной стойке. Модульный характер компонентов модульного блока питания 10 также позволит лучше конфигурировать растущие центры обработки данных с добавляемыми в них компонентами, поскольку это не потребует изменений в требованиях к источнику питания. Способность модульного блока питания 10 к ограничению мощности дополнительно позволяет использовать устройство для обеспечения кратковременного дополнительного питания позволяет дополнить выходную мощность выпрямителей 16, чтобы лучше справиться с возникающими переходными процессами.
[0097] Хотя здесь были описаны различные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что могут быть выполнены различные модификации или варианты, которые не выходят из объема настоящего изобретения. Приведенные примеры иллюстрируют различные варианты воплощения и не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Таким образом, описание и формула изобретения должны быть интерпретированы только с таким ограничением, которое необходимо с точки зрения соответствующего предшествующего уровня техники.
Реферат
Группа изобретений относится к модульному блоку питания постоянного тока. Технический результат – возможность настраивать мощность питания стойки за счет использования модульного блока питания. Для этого модульный блок питания постоянного тока обеспечивает подачу питания постоянного тока к шине постоянного тока в аппаратной стойке. Модульный блок питания постоянного тока может иметь шасси, определяющее множество слотов, в которые может быть вставлено множество блоков питания постоянного тока. Входной блок переменного тока может быть использован для получения мощности переменного тока от внешнего источника питания переменного тока. В шасси может быть смонтировано множество независимых модульных блоков питания постоянного тока, каждый из которых имеет форм-фактор, позволяющий ему быть вставленным в один из слотов шасси. Блок может иметь контроллер, соединенный с источниками питания постоянного тока. Шина постоянного тока, установленная в шасси, взаимодействует с источниками питания постоянного тока и передает мощность постоянного тока от источника питания постоянного тока к отдельной шине постоянного тока. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 15 ил.
