源來如此 | 設(shè)計配備電源導(dǎo)軌與處理器導(dǎo)軌監(jiān)測解決方案的數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)
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本期，我們將介紹數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)的詳細(xì)知識
機(jī)器智能正在開啟生產(chǎn)力的新時代，并逐漸融入我們生活和社會的各個學(xué)科和職能領(lǐng)域當(dāng)中。機(jī)器智能依賴計算平臺來執(zhí)行代碼、解讀數(shù)據(jù)，并能在瞬間從數(shù)萬億數(shù)據(jù)點中獲取信息。支撐機(jī)器智能的計算硬件需具備高速度、極高可靠性與強(qiáng)大功能。設(shè)計人員必須將穩(wěn)健的設(shè)計實踐與自診斷功能及持續(xù)監(jiān)測方案相結(jié)合，才能預(yù)防或管理系統(tǒng)中的潛在故障，如數(shù)據(jù)損壞或通信錯誤。
此類監(jiān)測系統(tǒng)的一個核心要素是對全系統(tǒng)電源導(dǎo)軌進(jìn)行監(jiān)控。本文將探討并闡述為企業(yè)應(yīng)用設(shè)計電源導(dǎo)軌與處理器導(dǎo)軌監(jiān)測解決方案的最佳實踐。
了解電源架構(gòu)
企業(yè)計算依賴復(fù)雜的電源架構(gòu)，將交流電能從電源輸送至系統(tǒng)各負(fù)載點。圖 1 簡要展示了服務(wù)器機(jī)架中的元件。
圖 1 服務(wù)器機(jī)架概略圖表：
分布式電池備份單元 (BBU) 和電源單元 (PSU) 連接至匯流條，由匯流條向機(jī)架分配交流電。
高效 PSU（鈦金級設(shè)計的效率通常高于 91%）將交流電（208V 或 240V）轉(zhuǎn)換為 48V 并分配到整個機(jī)架。然后，配電板 (PDB) 將直流電源轉(zhuǎn)換為各種電壓（通常為 12V、5V、3.3V），為主板、存儲、網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC)、交換機(jī)及系統(tǒng)散熱等子系統(tǒng)供電。每個子系統(tǒng)均配備有在本地管理的電源架構(gòu)。電池備份單元 (BBU) 在交流線路中斷時維持系統(tǒng)電力供應(yīng)。
耐用性設(shè)計
每個子系統(tǒng)都需要可靠的電源設(shè)計與監(jiān)測。我們來進(jìn)一步探討其中的部分子系統(tǒng)。
PSU
PSU 具有多種監(jiān)測類型，以確?？煽康倪\行和輸電。PSU 可監(jiān)測交流電源的輸出電壓，同時檢測內(nèi)部溫度、過壓和欠壓情況以及短路。
服務(wù)器設(shè)計還需要 N+1 冗余：“N”表示滿足服務(wù)器電源需求的最少 PSU 數(shù)量。如果其中一個 PSU 遇到臨時或永久故障或失效，則可使用附加的 PSU（“+1”）。
PDB
如前所述，PDB 將 48V 輸入轉(zhuǎn)換為多種直流導(dǎo)軌電壓，包括 12V、5V 和 3.3V。盡管可以采用帶簡單并聯(lián)基準(zhǔn)的比較器來監(jiān)測各電源軌的過壓/欠壓情況，但現(xiàn)代電壓監(jiān)控器不僅尺寸小巧、易于設(shè)計，還具有諸多額外優(yōu)勢，例如磁滯與輸入檢測延遲實現(xiàn)防噪性能，可調(diào)輸出延遲避免加電期間誤觸發(fā)，更高精度造就最高的檢測可靠性。
許多新的電壓監(jiān)控器（例如德州儀器 (TI) TPS3760）的額定電壓高達(dá) 70V，可直接監(jiān)測 48V 和其他總線電壓，無需低壓降穩(wěn)壓器或?qū)Ｓ?a class="contentlabel" href="http://yuyingmama.com.cn/news/listbylabel/label/電源導(dǎo)軌">電源導(dǎo)軌。除了實時監(jiān)控，高級監(jiān)測集成電路還可以提供最重要導(dǎo)軌電壓的遙測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和歷史故障分析，從而顯著減少系統(tǒng)停機(jī)時間。
另一個設(shè)計注意事項是早期電源故障檢測。這些電路會監(jiān)測特定電源導(dǎo)軌是否突然出現(xiàn)壓降，并提醒主機(jī)或處理器在預(yù)期斷電前迅速采取措施。高速且精密的欠壓監(jiān)控器可執(zhí)行此功能。圖 2 展示了此類設(shè)計的示例及其計時示意圖。
圖 2 計時示意圖的電壓監(jiān)控器示例，監(jiān)測 0.85 至 6.0V 電源導(dǎo)軌是否突然出現(xiàn)壓降，以便在斷電時采取措施。
主板
主板電源導(dǎo)軌給設(shè)計人員帶來了一系列不同的挑戰(zhàn)，本節(jié)將更詳細(xì)地探討這些挑戰(zhàn)。
處理器導(dǎo)軌監(jiān)測
現(xiàn)代處理器對電源導(dǎo)軌的波動極為敏感。造成這種情況的原因有很多，但主要是因為這些處理器在低至 0.7V 的電壓下運行，對電壓波動的容差更低，而且采用了動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)等功能。
因此，這些處理器需要高精度的窗口電壓監(jiān)控器。窗口監(jiān)控器可監(jiān)測電源電壓是否存在過壓和欠壓情況。適用于這些應(yīng)用的器件（如 TI 的 TPS389006）具有 ±6mV 的精度。設(shè)計人員可以通過 I2C 寄存器將毛刺濾波器調(diào)整至高達(dá) 650ns。
電源導(dǎo)軌設(shè)計的另一個核心方面是系統(tǒng)在負(fù)載快速瞬變期間保持穩(wěn)定的能力?，F(xiàn)代處理器可在幾微秒內(nèi)從空閑狀態(tài)切換到滿載狀態(tài)，如果電源和監(jiān)測系統(tǒng)沒有設(shè)計快速環(huán)路響應(yīng)和適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荩瑒t會導(dǎo)致急劇的壓降或過沖。
正確的加電和斷電時序?qū)τ谥靼搴吞幚砥饕仓陵P(guān)重要。時序控制可確保系統(tǒng)正確初始化，例如，處理器可能要求內(nèi)存控制器正常運行后再執(zhí)行指令。時序控制還可防止加電期間輸入較大的浪涌電流和電壓峰值。在斷電期間，時序控制可在斷電之前為內(nèi)存和存儲器件提供足夠的時間來保存數(shù)據(jù)或完成操作，從而保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。
圖 3 提供了監(jiān)測電源導(dǎo)軌和對其進(jìn)行時序控制的設(shè)計示例。
圖 3 實現(xiàn)正確系統(tǒng)初始化的電源導(dǎo)軌監(jiān)測與
和時序控制示例。
最后，管理輸入浪涌電流對配備熱插拔元件的系統(tǒng)至關(guān)重要，可避免觸發(fā)電路保護(hù)或?qū)е码娫纯偩€失穩(wěn)。集成限流與故障檢測功能的熱插拔控制器可確保順利插入和移除，不會影響其他正在運行的子系統(tǒng)。
未來趨勢
企業(yè)行業(yè)已蓄勢待發(fā)，準(zhǔn)備切換至 400VDC 配電系統(tǒng)，這將消除冗余的變電環(huán)節(jié)和 I2R 損耗，提升效率，并減少銅材用量與成本。此類高壓系統(tǒng)將需要更強(qiáng)大的導(dǎo)軌監(jiān)測能力，配合更快的故障檢測與隔離技術(shù)，以維持安全性與系統(tǒng)正常運行時間。為了滿足該領(lǐng)域未來的設(shè)計需求，新一代高壓監(jiān)測解決方案應(yīng)運而生。
卓越的電源架構(gòu)對于企業(yè)系統(tǒng)持續(xù)可靠運行至關(guān)重要。將穩(wěn)健的電源設(shè)計實踐與實時監(jiān)測及早期故障檢測相結(jié)合，有助于預(yù)防意外故障并保護(hù)關(guān)鍵工作負(fù)載。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度提升及電源架構(gòu)演進(jìn)（尤其是向更高壓配電轉(zhuǎn)型），精心規(guī)劃與導(dǎo)軌監(jiān)控將在提供安全高效的性能方面持續(xù)發(fā)揮作用。
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