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高功率效率的设计与建模节点级直流UPS
摘要:本文介绍了一个高度高效的节点级直流不间断电源（UPS）机架级直流电源架构。在先前的研究中，我们提出了高效机架级DC的架构系统结合节点级DC UPS。本文涉及节点级直流UPS的设计和建模。
关键字：机架级直流电源，电源监控，节点级DC UPS，配电。
引言
能源效率是其中最重要的部分数据中心评估。作为Google的Facebook服务器场，基于低成本x86平台服务器已广泛用于搜索和群集字段。绿色电网协会正在努力提供全行业的建议和最佳有关指标和技术的实践提高数据中心的能源效率[1]。
将现有的AC数据中心更改为直流数据中心作为提高功率的一种手段效率正在积极进行中。谷歌有改为 12 V单DC电源提高能源效率[2]。劳伦斯·伯克利国家实验室与大约20个团队合作公司证明完全使用DC整个数据中心将节省10％到20％的费用电力成本和提高可靠性[3]，[4]。不过，如果一家公司正在建立PB级的数据中心从头开始。有很多问题，例如与现有计算机设备兼容和电缆标准化[5]。一些刀片系统使用动态负载共享支持DC分配提高电源效率的方法[6]。然而，这些刀片系统很昂贵，并且没有提供与低成本商品的兼容性批量服务器或PC系统电源。
为了解决这些问题，我们研究了机架级直流配电系统的数据在某些论文中居于中心[7]，[8]。第一篇论文提出了机架电源单元（RPSU），机架级智能直流整流器与现有数据中心电源兼容基础架构，机架和服务器。 RPSU系统可以批量解决电源问题服务器，如低功率效率，无功率冗余，无电源监控。RPSU系统的测量结果显示与之相比，电源效率提高了10％提供N 1冗余电源的交流系统。此外，RPSU的电源信息系统可以通过网络进行监控。第二篇论文提出了12 V机架级DC整流器与节点级DC UPS结合（uPDB）。建议的uPDB减少了转化包括直流UPS造成的损失，并且增加了使用12 V旁路架构提高效率。在本文中，我们处理建议的uPDB硬件设计和电源建模。而且我们会制作节点级DC的功率建模方程UPS系统包括机架式直流电源。
二．新的电源交付架构
现有的电力输送分为三种广泛的类别：AC，机架级DC和设施级DC。在传统的交流电源传输中建筑，UPS，配电单元（PDU）和PSU电源组成传送路径。在交付路径中，采用双转换，AC / DC或DC / DC，发生在UPS和PSU上，导致供电失利。另一方面，设施级直流电源配电之前提供48 V或400 V DCUPS，减少了AC / DC电源转换损耗UPS和PSU，提高了整体效率。一种使用高度集成的机架级DC交付架构高效的整流器提供48 V或400 V DC电源机架中的PDB更改为12 V DC电源在图2的服务器上。转换阶段与AC架构相同，简单重组的机架级DC无法改善效率，仅提供机架级电源冗余[9]。
图1.通用机架级直流配电架构
图2.机架级直流配电架构与
节点级直流UPS
在先前的论文中，我们提出了高效机架级直流电源架构与节点级DC UPS，如图2所示。首先，我们卸下位于PDU并制作一个节点级DC UPS，通过减少UPS来提高UPS的效率立即进行能量转换并分配能量UPS在节点级别。其次，我们使用12 V带直流电源的机架级RPSU，包括多电源模块并支持动态自动打开/关闭的负载共享方法多功率模块基于负载量。
因此，RPSU支持更高效低负载时提供N 1功率冗余。第三，我们减少DC / DC转换通过制作12 V旁路PDB来实现损耗12 V直接连接至主板，无需任何电源先前研究中的DC / DC转换。
三．UPDB设计
uPDB主要由PDB和电池组成控制器。首先，我们处理PDB设计。的PDB从12 V产生ATX兼容电源RPSU提供的单个DC。考虑到PDB的效率和成本，本文提出了一个直接使用12 V电压为ATX电源的方法来自RPSU，无需任何转换。
显示了PDB的硬件框图在图3中。如果将12 V电源输入到PDB，则PDB首先使用降压产生5 Vsb转换器。 5 Vsb为服务器供电PDB的备用电源和电压监控器芯片。电压监控器芯片控制12 V旁路3.3 V或5 V的开关和降压转换器当输入PS_ON时。如果输出为3.3 V或5V有问题，电压监控器芯片也具有过压保护和欠压保护功能。如果所有输出电压均为有效时，PDB会为PDB生成一个PWR_OK信号。母板。从PDB生成的所有信号与ATX电源规格兼容。的PDB可以选择支持节点当前和使用ADC进行电压感测，并且这种感测信息传输到主机服务器或PC通过RS232的代理软件。 PDB是设计最大电流为20 A，并且可以因此提供高达240 W的功率。输出PDB的规格为12 V / 20 A，5 V / 7 A，3.3V / 9 A和5 Vsb / 4A。
图3. PDB框图
图4. uPDB电池控制框图和设计图
图4显示了uPDB控制器框图。12 V电源通过D1二极管供电在正常操作中为PDB供电。uPDB通过检测电池电压（）控制继电器。如果输入电压（）发生故障，则D1二极管由比较器激活短路。
微控制器附带的uPDB控件UPS运行并发送UPS状态信息通过RS232接口连接到主机代理。每个uPDB代理将收集的数据发送到RPSU电源管理服务器。uPDB的大小为15厘米times;8厘米的小尺寸。因此，它可以是安装在任何卷服务器或PC中，以代替PSU。用于串行连接十一个镍氢电池电池，1.2 V和4500 mA。它可以覆盖二十个使用HP进行实验所需的几分钟备份时间DL320G5服务器在表1。
四.UPDB的建模
uPDB可以基于PDB测试进行建模结果。 PDB具有更好的电源效率设计具有12 V旁路架构。 图5显示了ATX普通卷服务器或PC中的功耗。12 V功耗成比例变化加载另一只3.3 V和5 V电源消耗不会改变负载。
PDB的功率效率为输出功率除以输入功率它可以定义为
(1)
其中是输入直流电源，是输出电源在12 V时，是5 V时的输出功率，而是3.3 V时的输出功率。
时间（秒）
图5.卷服务器或PC的ATX功耗
实验中使用了HP DL320G5服务器，详细信息如表1所示。12 V时的PDB可在之后更换卸下服务器中的本地PSU。表2显示了服务器中的，，和的测量值使用功率计和ATX电缆夹具获得的空闲状态。在12 V下测得的PDB功率效率为93.5％处于空闲状态。
PDB中每个电压的负载效率可以为通过为每个负载连接一个电子装载机进行测量并在测量的同时更改其值输入功率。测量结果如图9所示。考虑12 V下PDB的结果。随着负载的增加，自12 V以来，电源效率几乎达到100％12 V的PDB直接使用RPSU的12 V电源。 对于5 V，最高效率达到89％，而3.3 V达到86％。
表I. HP DL320G5规格
表II。 PDB和UPDB效率测量
我们根据第五节中的描述对PDB进行了建模。由于PDB采用12 V旁路架构设计，12 V的电源效率优于3.3 V或5V因此，PDB在空闲状态，具有最低的12 V功耗任何计算机操作。随着计算机负载的增加，PDB的12 V电源线性增加。然而3.3 V和5 V电源几乎不会随一定负载而变化服务器或PC如图5。因此，作为PDB负载增加，PDB的效率也线性增加。使用线性建模，可以使PDB的功率效率为表示为
（2）
其中a是空闲状态下的PDB效率，b是梯度，I是电流，Ia是空载电流。
规格如下所示的HPDL320G5服务器表1用于PDB电源的实验效率。表2显示了实验结果：Ia为4.7 A（Ia ＝ Pin / 12V），a为93.5％。假设力量负载时PDB的效率收敛到99％电流超过20 A时，（6）中的系数b可为通过使用（4.7 A，93.5％）和（20 A，99％）。 PDB的电源效率最终可以达到表示为
（3）
为了建模uPDB效率，请考虑UPS电路失利。 uPDB的丢失是导致转发的功率损耗的原因二极管压降和UPS控制电路。的损失正向二极管出现在肖特基二极管,D1在图4中。
图5显示了肖特基二极管（S40HC1R5）的正向电流，IF取决于正向电压VF。动力表2在空闲状态下的uPDB功耗为57.52W。比PDB的空闲功耗高1.52 W效率为91.1％。空闲状态电流为4.7 A及更高电压VF = 0.26V（典型情况下），UPS控制器电源功耗可以解决0.3W的问题作为（4）
（4）
D1二极管的功耗可在10 A时解决和20 A负载以相同的方式。
bull;VF = 0.3V（典型值）：10A时10A x 0.3V 0.3W = 3.3W加载
bull;VF = 0.35V（典型值）：20A x 0.35V 0.3W = 7.3W
可以将线性建模方法应用于uPDB，就像PDB建模。在10 A负载下，PDB效率为95.4％等式（3）。 uPDB的功耗比PDB高3.3W。因此在10 A负载下，uPDB效率为92.85％。空闲状态（4.7 A，91.1％）和10 A负载（10 A，92.85％）。 uPDB方程可以简化为（5）。 uPDB效率下降了约2.4％，并且在空闲和最大负载状态下分别为2.8％。
正向电压
图6.肖特基二极管（S40HC1R5）的正向电压作为uPDB中的电流
（5）
五．结论
在本文中，我们处理了建议的节点级DC UPS，uPDB建议的研究。 设计的uPDB具有较高的电源效率使用12 V旁路架构并结合使用时为91.1％至96％UPS。 我们使用两点从uPDB中提取功率方程线性方程。 uPDB的抽象方程可用于机架级直流电源系统的电源建模，并且可以与其他系统相比。 基于这项研究，我们将制作完整的系统功率方程，并将分析未来的效率。
参考资料
[1] U. Hoelzle和B. Weihl，“家用高效电源”计算机和服务器”，Google Inc.白皮书，2006年9月。
[2]“Google揭露一次秘密服务器”http：//news.cnet.com/8301-1001_3-10209580-92.html，2009年4月1日.
[3] E.C.W.德钟和P.T.M. Vaessen，“直流配电服务器场”，KEMA咨询，2007年9月.
[4] D. Meisner，B.T.黄金和T.F. Wenisch，“ PowerNap：消除服务器空闲电源，”第14个整数.Conf.的建筑支持编程语言操作系统，2009年3月.
[5] W.O.权先生Seo和P. Choi，“机架级直流电源解决方案for Volume Server”，ETRI Journal第32卷，第6号，2010年12月.
[6] N. Rasmussen，“数据中心的电效率建模”，美国电源转换技术代表＃113，2007.
[7] W.O.权先生Seo和P. Choi，“机架级直流电源解决方案for Volume Server”，ETRI Journal第32卷，第6号，2010年12月.
[8] W.O.权先生Seo和P. Choi，“结合节点级DC的高功率高效机架级DC电源架构”，ETRI期刊第33卷，第4期，2011年8月.
[9] A. Pratt，P.Kumar和T.V. Aldridge，“ 400V DC的评估在电信和数据中心进行分配以提高能源效率，”第29届英特尔展，2007年9月30日至10月.2007年4月，第32-3页.
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