本文概述了OCP ORV3 (Open Compute Project Open Rack Version 3) BBU (battery backup unit)的系統(tǒng)需求。它強(qiáng)調(diào)了擁有一個(gè)高效智能的BBU的重要性，它可以在停電時(shí)提供能量。此外，它還將展示為滿足書面規(guī)范而開發(fā)的數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案、電氣和機(jī)械解決方案及其架構(gòu)。

介紹

數(shù)據(jù)中心為互聯(lián)網(wǎng)提供動(dòng)力，連接著世界各地的社區(qū)。Facebook、Instagram和X(以前稱為Twitter)等社交媒體公司依靠數(shù)據(jù)中心進(jìn)行信息傳播和存儲(chǔ)，而雅虎(Yahoo!谷歌則利用數(shù)據(jù)中心為其主要搜索引擎和存儲(chǔ)功能提供動(dòng)力。世界上幾乎所有的大公司和政府機(jī)構(gòu)都需要可靠的數(shù)據(jù)中心功能，以便通過智能計(jì)算、存儲(chǔ)和搜索來(lái)操作和維護(hù)其主要業(yè)務(wù)功能。隨著用戶數(shù)量的逐年增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心容量繼續(xù)以驚人的速度增長(zhǎng)，以跟上需求和技術(shù)改進(jìn)的步伐。隨著這些增長(zhǎng)需求的增加，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)架構(gòu)也必須跟上步伐。

OCP是一個(gè)共享數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的組織，其系統(tǒng)架構(gòu)定義基于開放計(jì)算項(xiàng)目開放機(jī)架版本2 (OCP ORV2)，其中背板電壓名義上為12v，系統(tǒng)功率為3kw。另一方面，使用量的增加會(huì)導(dǎo)致功率需求的增加，使12v系統(tǒng)功率需求過高，從而損害整體系統(tǒng)性能。為了解決這個(gè)問題，在系統(tǒng)功率保持不變的情況下，將背板電壓增加到48 V，從而最大限度地減少所需的電流和銅走線，并減少背板中的散熱。這種變化提高了整體系統(tǒng)效率，減少了對(duì)復(fù)雜冷卻系統(tǒng)的需求。這是新的開放機(jī)架版本3標(biāo)準(zhǔn)OCP ORV3的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)中心的可靠性是一個(gè)基本的操作需求。BBU模塊的加入為系統(tǒng)提供了冗余功能。在停電或電力不足的情況下，系統(tǒng)需要時(shí)間來(lái)注意到情況，保存重要數(shù)據(jù)，并將操作轉(zhuǎn)移到另一個(gè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，很可能在不同的數(shù)據(jù)中心設(shè)施和位置。這必須以無(wú)縫的方式完成。在每個(gè)機(jī)架中使用備用電源系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的保持功率。在最新的標(biāo)準(zhǔn)ORV3 BBU中，這種需求被定義為基于鋰離子電池的電力存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)，每個(gè)BBU單元的15 kW功率輸出等于系統(tǒng)運(yùn)行4分鐘。

本規(guī)范為Devices提供了完成和設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)解決方案的指南，該解決方案包括用于專用于充放電操作的單電路的雙向功率轉(zhuǎn)換器，電池管理系統(tǒng)(BMS)設(shè)備，具有固件和GUI支持的板載設(shè)計(jì)系統(tǒng)主機(jī)微控制器，以及通過與OCP組織合作的硬件放大。

設(shè)計(jì)要求和硬件實(shí)現(xiàn)

作為OCP組織提供的規(guī)范(修訂版1.3)，它將概述概念化和設(shè)計(jì)所需的要求，以滿足BBU模塊標(biāo)準(zhǔn)。BBU模塊參考設(shè)計(jì)基于ORV3 48v方案，由帶BMS的電池組、充放電電路和其他功能模塊組成，如圖2所示。

除了電路要求外，BBU模塊在其使用壽命期間還需要具備以下幾種主要的工作模式:

• 休眠模式:BBU模塊在運(yùn)輸或庫(kù)存中，或未連接在活動(dòng)母線上時(shí)，可以將電池放電電流降至最低，從而延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間。在休眠模式下，無(wú)法進(jìn)行BBU監(jiān)控或上報(bào)。當(dāng)檢測(cè)到母線電壓大于46v時(shí)，BBU將喚醒并退出休眠模式;100毫秒和<200ms, PSKILL信號(hào)低。

• 待機(jī)模式:BBU模塊充滿電且處于正常狀態(tài)，持續(xù)監(jiān)測(cè)母線電壓，為放電事件做好準(zhǔn)備。BBU模塊在使用壽命的大部分時(shí)間內(nèi)都工作在該模式下。BBU模塊的狀態(tài)和參數(shù)可以通過通信總線在上游機(jī)架監(jiān)控上顯示。

• 放電模式:當(dāng)母線電壓降至48.5 V以下時(shí);2ms, BBU模塊放電模式激活。BBU模塊接管母線電壓的時(shí)間為2ms，備電時(shí)間為4min。

• 充電模式:在滿足所有條件的情況下，BBU模塊開啟內(nèi)部充電器電路為電池組充電。充電電流可根據(jù)電池容量之前的放電深度在0 ~ 5.5 A之間任意設(shè)置。它還允許上游系統(tǒng)通過通信總線覆蓋充電電流。根據(jù)計(jì)算出的充電電流，應(yīng)有一個(gè)充電超時(shí)控制方案。

• SOH (State of health check)模式:BBU模塊通過對(duì)電池組進(jìn)行強(qiáng)制放電，對(duì)電池組容量進(jìn)行例行測(cè)試。BBU模塊每90天進(jìn)行一次SOH測(cè)試，以確定電池的EOL狀態(tài)。

• 系統(tǒng)控制方式:BBU允許上游系統(tǒng)通過通信總線控制充放電操作。

除了BBU模塊的運(yùn)行要求外，OCP還規(guī)定了電池包容量、電池單體類型和電池包配置的標(biāo)準(zhǔn)。這些是:

• 電池包容量:BBU模塊支持4年不超過4分鐘的備用電源，可提供3kw的備用電源。

• 電池單體類型:建議采用18650鋰離子電池，電池單體電壓為3.5 V ~ 4.2 V，電池容量不小于1.5 AH，持續(xù)額定放電電流為30a。

• 電池組配置:BBU模塊的電池組配置為11S6P(6個(gè)電池并聯(lián)串，每串11個(gè)電池串聯(lián))。

BBU模塊還需要具備電池充放電算法、保護(hù)、控制信號(hào)和通信接口等BMS。BMS還負(fù)責(zé)具有電池平衡電路，其中電池組上的電池電壓保持在±1% (0.1 V)以內(nèi)。

參考設(shè)計(jì)框圖(參見圖3)顯示了選定的部件，并集成了為某些任務(wù)指定的各種元件，并構(gòu)建了能夠提供不間斷電源、確定模塊健康、故障和模塊通信的電路。LT8228是一個(gè)雙向同步控制器，安裝在BBU模塊內(nèi)。該設(shè)備在線路電源中斷的情況下提供電源轉(zhuǎn)換，在非故障運(yùn)行期間提供電池充電器。LT8551是一款4相同步升壓dc - dc擴(kuò)相器，與LT8228串聯(lián)工作，可將每個(gè)BBU模塊的放電功率容量增加到3 kW。除了電源轉(zhuǎn)換ic外，BBU模塊還集成了MAX32690，這是一款超低功耗Arm 微控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。LTC2971是一個(gè)2通道電源系統(tǒng)管理器，用于電源路徑的精確傳感和故障檢測(cè)，以及關(guān)鍵的電壓下降功能。MAX31760是一款精密風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器，用于在充放電操作期間執(zhí)行系統(tǒng)冷卻。EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，允許用戶恢復(fù)BBU模塊在其服務(wù)時(shí)間內(nèi)的任何可用數(shù)據(jù)。除了電源轉(zhuǎn)換器和管家微控制器外，設(shè)計(jì)中還包括BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多電池監(jiān)測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)電池電壓水平，而其固有的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器用于確定充電狀態(tài)(SOC)和SOH水平，用于電池平衡和電池預(yù)期壽命計(jì)算。電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程由MAX32625完成，MAX32625是一個(gè)超低功耗Arm微控制器。這兩個(gè)微控制器都經(jīng)過精心挑選，以降低總功耗，從而延長(zhǎng)電池壽命在BBU休眠模式操作。

除了提供的部件外，該參考模塊還生產(chǎn)和構(gòu)建BBU模塊(見圖4a)和BBU機(jī)箱(見圖5)，以容納和演示參考設(shè)計(jì)，符合OCP ORV3 BBU模塊和機(jī)箱機(jī)械規(guī)范。BBU機(jī)箱包含6個(gè)BBU模塊槽位，單個(gè)BBU機(jī)箱可提供最大18kw的備用電源。

機(jī)械渲染和氣流模擬是BBU模塊參考設(shè)計(jì)的兩個(gè)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)。首先，包括允許精確和吸引人的表示的可視化。機(jī)械結(jié)構(gòu)分析可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題和潛在的變化，這有助于整個(gè)設(shè)計(jì)過程。最后但并非最不重要的是，它可以減少對(duì)實(shí)際原型的需求，這可能是耗時(shí)和昂貴的。此外，氣流模擬可以提供性能分析，幫助識(shí)別潛在的問題，并提高設(shè)計(jì)效率。它還通過幫助識(shí)別熱點(diǎn)、優(yōu)化熱損失和提高整體系統(tǒng)可靠性來(lái)處理熱管理。此外，為安全性和合規(guī)性規(guī)劃電池組空間有助于降低風(fēng)險(xiǎn)。更多信息請(qǐng)參見圖4b。

數(shù)據(jù)與結(jié)果

下面給出的測(cè)試結(jié)果包括穩(wěn)態(tài)性能測(cè)量、功能性能波形、溫度測(cè)量和操作轉(zhuǎn)換。在BBU模塊參考設(shè)計(jì)下，測(cè)試了以下配置:

性能數(shù)據(jù)

效率和功耗

BBU模塊參考設(shè)計(jì)能夠超越ORV3 BBU規(guī)格中指定的效率和功耗限制。放電和充電限制分別設(shè)置為97%和95%。在放電運(yùn)行期間，半負(fù)荷(31.6 A)時(shí)的平均效率為98.5%，滿載(63.2 A)時(shí)的平均效率為98%。在更大電感的影響下，較低的mosfet漏源導(dǎo)通電阻和精心選擇的開關(guān)頻率將提供高效率和減少紋波電流。此外，BBU模塊在5a負(fù)載下充電時(shí)的平均效率高達(dá)97%。在使用相同電感值的情況下，以(400 kHz)開關(guān)頻率運(yùn)行，提高了效率，并將功率損耗降至最低。高效率和低功耗將延長(zhǎng)電池壽命周期，并降低熱冷卻所需的風(fēng)扇速度。參見圖6。

另一方面，控制和同步mosfet的傳導(dǎo)損耗會(huì)導(dǎo)致BBU放電和充電過程中的總體功率損耗。

輸出電壓下降

ORV3 BBU規(guī)范的另一個(gè)要求是在放電模式操作期間包含電壓下降。電壓下降是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載的同時(shí)，BBU背板電壓的故意損失。使用LTC2971電路中的DAC, BBU背板電壓將根據(jù)測(cè)量的系統(tǒng)負(fù)載電流實(shí)時(shí)改變。因此，從空載到滿載，背板電壓降保持在ORV3 BBU要求的±1%以內(nèi)。參見圖7。

切換波形

檢查開關(guān)波形為性能評(píng)估、故障分析、效率優(yōu)化、EMI降低和安全考慮提供了有價(jià)值的信息。幫助工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，優(yōu)化系統(tǒng)性能，保證數(shù)據(jù)中心BBU模塊的可靠高效運(yùn)行。

在放電模式工作時(shí)，BBU模塊的開關(guān)操作非常關(guān)鍵，將30v ~ 44v的電池組電壓轉(zhuǎn)換為48v的背板電壓。這是通過使用同步功率MOSFET實(shí)現(xiàn)的，該MOSFET由LT8228脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)精確調(diào)節(jié)，并伴隨著LT8551，它重復(fù)LT8228的動(dòng)作。開關(guān)的頻率和各相的電流分擔(dān)導(dǎo)致電壓升高，這對(duì)其工作很重要。主變換器及其多相擴(kuò)展器滿載時(shí)的開關(guān)波形如圖8所示。在充電模式下，雙向變換器單相工作，將49 V至53 V的背板電壓降壓至44 V，為電池組充電。它的工作原理是快速開關(guān)同步功率MOSFET和斜坡電感電流。雙向變換器在5 a負(fù)載下的開關(guān)波形如圖9所示。

熱力性能

熱性能和效率必須仔細(xì)平衡。雖然擁有一個(gè)能夠承受高溫并在不過熱的情況下繼續(xù)工作的BBU模塊至關(guān)重要，但擁有一個(gè)能夠以最佳效率運(yùn)行的BBU模塊也很重要，它可以將盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率。在圖10中，在放電操作模式下，電路板的最差溫度測(cè)量值僅為40°C至60°C，滿載運(yùn)行約4分鐘。在充電模式下，同步mosfet的溫度小于50°C。適當(dāng)?shù)目諝饫鋮s系統(tǒng)可以降低組件的排放溫度，防止熱失控。在電池組中適當(dāng)設(shè)計(jì)電池間的間隙和適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng)設(shè)計(jì)可提供足夠的熱冷卻。參見圖11。

經(jīng)營(yíng)過渡

BBU模塊的過渡操作是在電源中斷或變化情況下保證不間斷供電的關(guān)鍵。該過程包括將電池組能量完美地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的背板，確保重要系統(tǒng)和設(shè)備保持4分鐘的運(yùn)行。BBU模塊持續(xù)監(jiān)測(cè)背板母線電壓。當(dāng)母線電壓降至BBU模塊激活電壓48.5 V并持續(xù)2ms時(shí)，BBU模塊背板電壓必須上升，在2ms內(nèi)為母線提供滿電。母線電壓在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中不得低于46v。當(dāng)檢測(cè)到母線電壓大于48.5 V并持續(xù)200ms以上時(shí)，BBU模塊退出放電模式工作。參見圖12。

總結(jié)

為了節(jié)約能源，數(shù)據(jù)中心正在向48v系統(tǒng)發(fā)展。48v服務(wù)器機(jī)架具有更低的電流、更小的銅損耗和更小的電源母線尺寸，在功耗和散熱、尺寸和成本方面都比12v服務(wù)器機(jī)架更高效。前端無(wú)調(diào)節(jié)、高效率的級(jí)接電壓調(diào)節(jié)器調(diào)至適當(dāng)負(fù)載，最適合于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器微處理器和存儲(chǔ)器。這樣的思想水平，以及OCP的最新創(chuàng)新，為更高效的配電和智能電池備用單元設(shè)計(jì)鋪平了道路，以支持持續(xù)和完美的操作。

為BBU模塊和機(jī)箱選擇和實(shí)施合適的設(shè)備，可以簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)電池壽命周期，縮短工程開發(fā)周期，最大限度地降低工程和生產(chǎn)成本。此外，提供機(jī)械模擬縮短了原型步驟，提供了可用于改進(jìn)熱冷卻和管理的數(shù)據(jù)，并提高了設(shè)計(jì)的保證。最后，提供適當(dāng)且設(shè)計(jì)良好的固件算法和順序，確保BBU平穩(wěn)輕松地運(yùn)行。

本系列的第2部分將討論各種BBU模塊的主要微控制器功能和操作，因?yàn)樗cBBU內(nèi)務(wù)管理的專門設(shè)計(jì)有關(guān)。此外，本文還將更深入地概述如何監(jiān)控有用的信息，以及如何使用這些信息來(lái)構(gòu)建和執(zhí)行正確的工作流例程。