Блоки питания (БП) и блоки базовых устройств (ББУ) являются жизненно важными элементами центров обработки данных, сетей, серверов и устройств хранения данных в передовой архитектуре Open Rack Version 3 (ORV3) проекта Open Compute Project (OCP). Центральный преобразователь питания обеспечивает большую часть необходимой электроэнергии. Однако незаметным, но важным компонентом является вспомогательный источник питания, играющий ключевую роль в поддержании общей надежности, отказоустойчивости и безопасности всей системы электропитания, включая как БП, так и ББУ.

В последующем подробном анализе мы рассмотрим роль вспомогательного источника питания в эталонной конструкции модуля BBU, изучив его функции и внутренние механизмы. Погружаясь в сложности вспомогательного источника питания, мы стремимся подчеркнуть его важный вклад в поддержание непрерывного электроснабжения и защиту наших ценных технических ресурсов от потенциальных повреждений.

Резервное питание:
Дополнительное питание используется для обеспечения вторичного питания внутри блока батарейного модуля (ББМ). Даже если питание материнской платы прерывается или недоступно, дополнительное питание продолжает обеспечивать работу устройств внутри модуля, позволяя бесперебойно функционировать ключевым функциям, хранящимся в ББМ. Эта возможность резервного питания позволяет устройству поддерживать и обеспечивать критически важные операции, такие как безопасный процесс перехода, тщательный мониторинг, управление сложными схемами управления и непрерывная поддержка маломощных устройств. Дополнительное питание обеспечивает способность модулей распределять питание при необходимости, обеспечивая непрерывное и бесперебойное питание во время отключений электроэнергии. Это, в свою очередь, служит буфером против потенциальных помех и предотвращает потерю данных.

Регулирование напряжения:
Обеспечение постоянного состояния равновесия и постоянного выходного напряжения имеет решающее значение для достижения оптимальной производительности устройств внутри блока резервного питания (БПП). Важность вспомогательного питания в этом сценарии невозможно переоценить, поскольку оно выступает в качестве важнейшей защитной меры, контролируя чувствительную область управления напряжением в сложной архитектуре модуля БПП. Вспомогательное питание постоянно контролирует выходное напряжение, координируя регулировки и стабилизацию в точных пределах тщательно определенного диапазона допусков.
Это регулирование действует как экран, улучшая взаимодействие между БПП и подключенными устройствами. Вспомогательное питание гарантирует стабильный и надежный источник питания, защищая от колебаний напряжения, которые в противном случае могли бы привести к сбоям, повреждению данных или физическим повреждениям.
Вспомогательное питание становится необходимым благодаря своей точной калибровке. Оно не только обеспечивает эффективную работу модуля, но и защищает подключенные устройства. Это сочетание точности и надежности обеспечивает более длительный срок службы, большую эффективность и долговременную работоспособность блока питания, БПП и множества связанных с ним устройств в центре обработки данных.

Охлаждение и управление вентиляторами:
Эффективное управление охлаждением имеет решающее значение для предотвращения перегрева электрооборудования. Вспомогательное питание обеспечивает и координирует работу вентиляторов внутри блока резервного питания (БП). Этот процесс охлаждения помогает сохранить БП и совместимые устройства. В данной конфигурации вспомогательное питание используется для управления скоростью вращения вентиляторов и создания плавной и эффективной среды охлаждения. В результате получается хорошо сбалансированная система, которая поддерживает оптимальные рабочие температуры и защищает от разрушительного воздействия перегрева.
Рассеивание тепла включает в себя сложные взаимодействия в рамках тепловой динамики. Эта система управляет теплом, чтобы предотвратить отказы из-за перегрева. Тщательное регулирование температуры и вспомогательное питание повышают производительность и надежность.

Функции защиты и безопасности:
Блоки резервного питания (BBU) обладают рядом важных функций безопасности и защиты, обеспечивающих безопасность как подключенных устройств, так и преобразователя питания. Интеграция вспомогательного питания необходима для обеспечения развертывания и мониторинга этих функций. Вспомогательное питание позволяет принимать ряд превентивных мер, включая защиту от перенапряжения, перегрузки по току и короткого замыкания, а также мониторинг температуры. Этот мониторинг в реальном времени с помощью вспомогательного питания обеспечивает быструю реакцию на аномалии или проблемы за счет непрерывной проверки параметров. Быстрое срабатывание механизмов защиты эффективно предотвращает повреждение источника питания и подключенных устройств, снижая электрические риски и значительно повышая общую безопасность системы.

Диагностическая оценка:
Блок резервного питания (БПП) периодически проводит самодиагностику для проверки своей работоспособности перед подачей питания на подключенные устройства. В этом процессе вспомогательный источник питания обеспечивает необходимое напряжение и управляющие сигналы для запуска и завершения диагностической процедуры. Эта самооценка помогает быстро выявлять потенциальные неисправности в БПП, включая проблемы с компонентами или перепады напряжения. Использование вспомогательного источника питания способствует повышению производительности и увеличению срока службы блока питания за счет раннего выявления и точной локализации неисправностей. Такой проактивный подход повышает надежность и готовность блока питания, обеспечивая бесперебойную подачу электроэнергии и значительно снижая риск сбоев системы.

Инструмент проектирования источников питания LTpowerCAD® от ADI предоставляет специализированную техническую информацию и данные о производительности компонентов, разработанных специально для вспомогательного питания резервного блока питания (BBU). Эта мощная комбинация успешно упрощает сложный процесс электрической оценки, ускоряет этап прототипирования и значительно сокращает общие сроки разработки схем вспомогательного питания. В результате время проверки и сложность проектирования схем заметно сокращаются.
На рисунке 1 показана вспомогательная схема, разработанная для оптимизации потока мощности во время работы BBU в режиме заряда или разряда, что отражает интенсивные инженерные усилия, затраченные на проектирование. В отличие от этого, на рисунке 2 показана маломощная вспомогательная схема для режима ожидания BBU, включающая стабилизаторы с низким падением напряжения (LDO) и один понижающий преобразователь.

Рисунок 1. Схема вспомогательной цепи для модуля BBU во время работы в режимах заряда и разряда.

Рисунок 2. Схема вспомогательной цепи для модуля BBU в спящем режиме.
Для питания этих преобразователей мощности, микроконтроллеров и других периферийных устройств вспомогательная цепь модуля BBU включает шесть линий напряжения, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Напряжения резервного блока питания (BBU)

Во время работы в режиме зарядки или разрядки
Во время работы в спящем режиме
► Шина смещения 12 В
► Шины смещения 5 В, 3,3 В, 1,8 В и 1,2 В
► Шина смещения -3,0 В

► Шины смещения 3,3 В, 1,8 В и 1,2 В

Вспомогательное питание во время зарядки или разрядки резервного блока питания.
Шина смещения 12 В.
LT8645S — это высоковольтный синхронный понижающий драйвер с замечательной нагрузочной способностью до 8 А. Его основная функция — эффективное преобразование напряжения питания материнской платы 48 В во вспомогательное напряжение 12 В, что он делает с исключительной точностью. Интеграция шунтирующих конденсаторов в устройство отличает его от других высоковольтных понижающих драйверов — стратегическое решение, которое не только устраняет необходимость в более крупной печатной плате, но и умело решает такие проблемы, как быстрое протекание токовых петель и электромагнитные помехи (ЭМП). Это сочетание приводит к значительному повышению общей эффективности, улучшая способность драйвера оптимизировать энергопотребление.

Шина смещения 12 В служит основой для критически важных компонентов, включая преобразователи питания, источники питания вентиляторов и схемы распределения тока. Выступая в качестве основного канала питания для этих важных компонентов, шина смещения 12 В обеспечивает бесперебойную работу и высокую производительность. Эти компоненты органично интегрированы в единый источник питания, и микросхема LT8645 играет решающую роль в повышении эффективности и функциональности.

Направления смещения: 5 В, 3,3 В, 1,8 В и 1,2 В.
Использование LT8692S, четырехканального синхронного понижающего драйвера, было преднамеренным выбором для обеспечения широкого диапазона выходных напряжений: 5 В, 3,3 В, 1,8 В и 1,2 В. Эта настройка была особенно важна для учета вспомогательного снижения напряжения в соответствии с более низкими напряжениями шины. Драйвер, управляемый уникальным генератором, работающим на частоте 2 МГц, точно и синхронно координирует свои выходные сигналы.
Что действительно отличает это устройство, так это встроенные конденсаторы — критически важная особенность для соответствия строгим требованиям к электромагнитной совместимости, поскольку она минимизирует восприимчивость конструкции к шуму. Эта особенность значительно улучшает его совместимость с чувствительными к шуму средами и приложениями. Четырехканальная архитектура, характеризующаяся высокой степенью интеграции, не только экономит место, но и способствует более лаконичному и эффективному подходу к проектированию.
Для пояснения принципа работы, 5-вольтовые линии обеспечивают питание для линии питания усилителя, контроллера Modbus UART, цифровых датчиков температуры и устройства управления питанием. Выходы 3,3 В, 1,8 В и 1,2 В питают устройство EEPROM, основной микроконтроллер (MCU) и микроконтроллер системы управления батареями (BMS) соответственно.

Микросхема LTC1983 с зарядным насосом, обеспечивающего критически важное отрицательное напряжение питания 3 В для операционных усилителей, управляющих резервным блоком питания (BBU). Ее способность создавать мощную выходную нагрузку в 100 мА требует всего лишь пары дополнительных конденсаторов, что демонстрирует ее высокую эффективность. Примечательно, что эта эффективность дополнительно повышается благодаря ее небольшим размерам — конструктивной особенности, которая обеспечивает определенные преимущества, поскольку она помещается всего в 1 мм от платы питания BBU.
инвертора

Вспомогательный источник питания во время работы в спящем режиме аккумуляторной батареи.
Шины MAX17551 выделяется как синхронный понижающий преобразователь, преобразующий напряжение аккумуляторной батареи 48 В в стабильное выходное напряжение 3,3 В. Это напряжение служит стратегическим каналом, направляя питание на цифровые выводы общего назначения как основного микроконтроллера, так и микроконтроллера BMS, пока они находятся в спящем режиме. Этот понижающий преобразователь был выбран за его преимущества: универсальность в диапазоне входных напряжений от 4 В до 60 В, малый размер и исключительную эффективность работы с минимальным энергопотреблением менее 10 мВт. Такое сочетание характеристик делает его наилучшим решением для повышения общей долговечности и отказоустойчивости аккумуляторной батареи.
смещения 3,3 В, 1,8 В и 1,2 В.
LDO -регулятор ADP165 обеспечивает более точное снижение напряжения питания с 3,3 В до 1,2 В. Это конкретное снижение служит основным источником питания для базовых операций как основного микроконтроллера, так и микроконтроллера BMS. Стратегическая интеграция LDO-регулятора в схему микроконтроллера обеспечивает лучшую стабилизацию напряжения, значительное снижение шума, оптимизированную архитектуру, превосходную эффективность работы и высокий уровень надежности. Кроме того, ADP165 потребляет менее 15 мкВт мощности, что значительно способствует экономии энергии и, следовательно, увеличению срока службы батареи.
Наконец, MAX38911 используется для питания аналоговых и USB-напряжений, а также некоторых других базовых напряжений, обеспечивая точное снижение напряжения питания с 3,3 В до 1,8 В. Этот LDO-регулятор может обеспечивать ток нагрузки до 500 мА, достаточный для обеспечения необходимого тока нагрузки для микроконтроллеров. Преобразователь мощности потребляет приблизительно 19,2 мкА тока питания в режиме низкого энергопотребления, что делает его пригодным для работы в спящем режиме.
Важность эффективного управления температурным режимом для поддержания стабильной оптимальной производительности невозможно переоценить, учитывая замечательную эффективность вспомогательного источника питания, которая достигает 94% во время зарядки или разрядки и 62% в режиме ожидания. Выбор оптимального устройства для вспомогательной схемы имеет решающее значение не только для обычной функциональности, но и для обеспечения целостности конструкции во всем рабочем диапазоне BBU. Этот стратегический выбор позволяет прогнозировать общее энергопотребление и рассчитывать расчетный срок службы батареи. Кроме того, он предлагает экономически эффективные возможности для повышения производительности вспомогательного источника питания, что в конечном итоге приводит к общему повышению эффективности устройства.¹

Краткое содержание:
В этой заключительной статье серии вспомогательное питание представлено как важнейший компонент батарейных блоков (БББ), координирующий ряд важных функций. Его роль включает в себя множество ключевых обязанностей, каждая из которых имеет фундаментальное значение для бесперебойной, надежной и безопасной работы этих блоков. В качестве защиты резервного питания вспомогательное питание регулирует уровни напряжения, управляет мощностью вентиляторов для теплового охлаждения, реализует защитные меры и выполняет самодиагностику при включении питания. Это сложное взаимодействие операций обеспечивает бесперебойное электроснабжение, защищает наши устройства и продлевает общую работоспособность системы.
Вспомогательное питание имеет решающее значение для обеспечения надежного и дополнительного питания наших аналоговых и цифровых устройств. Достижения в технологии вспомогательного питания постоянно повышают эффективность, снижают потери мощности и повышают безопасность блоков питания (БП) и батарейных блоков (БББ) центров обработки данных, выводя инновации на новый уровень. Этот непрерывный прогресс является неизменным ответом на растущие потребности в электроэнергии, порождаемые нашим постоянно меняющимся технологическим миром, который влияет как на наше настоящее, так и на наше электрифицированное будущее.
Каждая статья этой серии служит всеобъемлющим ресурсом, предоставляя точные рекомендации и обеспечивая инженеров-конструкторов и специалистов по применению знаниями, необходимыми для создания более интеллектуального, надежного и экономически эффективного решения на основе сложных спецификаций, предоставляемых BBU OCP ORV3. Это достигается за счет тщательного процесса выбора компонентов, подготовленных руководств, инженерных методологий и процедурных рекомендаций.
Ссылки:
1. Дэвид Сан. «Open Compute Project Open Rack V3 48 BBU Rev: 1.3». Open Compute Project, ноябрь 2022 г.

Об авторе

Кристиан Круз — инженер по разработке приложений в компании Analog Devices, Inc., Филиппины. Он имеет степень бакалавра наук в области электронной инженерии, полученную в Восточно-Манильском университете, Филиппины. Он обладает более чем 12-летним опытом работы в области аналогового и цифрового проектирования, разработки микропрограммного обеспечения и силовой электроники, включая разработку интегральных схем управления питанием, а также преобразование переменного тока в постоянный и постоянного тока в постоянный. Он присоединился к ADI в 2020 году и в настоящее время отвечает за требования к управлению питанием для приложений облачных вычислений и систем связи.

Об авторе

Ральф Кларенц Матосиньос получил степень бакалавра наук в области электронной инженерии в Университете города Манила (PLM) в Маниле, Филиппины. Он имеет более года инженерного опыта и специализированные знания в области аналогового и цифрового проектирования, а также силовой электроники, включая разработку интегральных схем для систем управления батареями и преобразования постоянного тока в постоянный.