實現(xiàn)不間斷能源的智能備用電池第一部分

引言

數(shù)據(jù)中心為互聯(lián)網(wǎng)提供支持，連接世界各地的社區(qū)。Facebook、Instagram和X（前稱Twitter）等社交媒體公司依靠數(shù)據(jù)中心來傳播和存儲信息，而雅虎和谷歌等搜索引擎則利用數(shù)據(jù)中心支持其主要搜索引擎和存儲功能。全球幾乎所有大公司和政府機構(gòu)都需要可靠的數(shù)據(jù)中心功能，以通過智能計算、存儲和搜索來運營和維護其主要業(yè)務(wù)職能。隨著用戶數(shù)量逐年增加，數(shù)據(jù)中心容量持續(xù)以驚人的速度增長，以適應(yīng)需求和技術(shù)進步。為了跟上不斷增長的需求，數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)架構(gòu)也要不斷更新升級。

OCP是一個共享數(shù)據(jù)中心設(shè)計的組織，其系統(tǒng)架構(gòu)定義基于開放計算項目開放機架第2版(OCP ORV2)，其中背板電壓標稱值為12 V，系統(tǒng)功率為3 kW。另一方面，使用量的增加導致功率需求增加，這使得12 V系統(tǒng)的功率要求過高，進而不利于整體系統(tǒng)性能。為了解決這個問題，在系統(tǒng)功率保持不變的情況下，背板電壓增加到48 V，從而盡量減少所需的電流和銅走線，并降低背板散發(fā)的熱量。這一變化提高了整體系統(tǒng)效率，并降低了對復雜散熱系統(tǒng)的需求。這就是新的開放機架第3版標準(OCP ORV3)的基礎(chǔ)。

圖1 OCP ORV3電源架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心的可靠性是保證運營正常的基本條件。為系統(tǒng)增加BBU可提供系統(tǒng)冗余性。如果發(fā)生停電或限電，系統(tǒng)需要時間來察覺情況，保存重要數(shù)據(jù)，并將操作切換到另一臺數(shù)據(jù)中心服務(wù)器（很可能位于不同的數(shù)據(jù)中心設(shè)施和地點）。這些應(yīng)對操作必須以無縫的方式完成。每個機架都使用備用電源系統(tǒng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的延時電源。這一需求在最新標準ORV3 BBU中被明確為：基于鋰離子電池儲存和調(diào)節(jié)的電量，每個BBU單元需提供15 kW功率輸出，維持系統(tǒng)運行4分鐘。

在該規(guī)范的指導下，ADI公司與OCP組織合作完成和制作了參考設(shè)計方案，它包括：用于通過單一電路專門進行充電和放電操作的雙向電源轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)(BMS)器件、帶固件和GUI支持的板載設(shè)計系統(tǒng)主機微控制器以及硬件放大。

設(shè)計要求和硬件實現(xiàn)

OCP組織提供的規(guī)范（第1.3版）中概述了滿足BBU模塊標準所需達到的構(gòu)思和設(shè)計要求。BBU模塊參考設(shè)計基于ORV3 48 V提案，由帶BMS的電池包、充電/放電電路和其他功能塊組成，如圖2所示。

圖2 OCP ORV3 BBU框圖

除了電路要求外，BBU模塊在其使用壽命期間還需要有幾種主要工作模式，具體如下：

■   休眠模式：BBU模塊處于運輸或庫存狀態(tài)，或者未連接到有源母線。此時電池放電電流最小，以延長儲存時間。BBU監(jiān)控或報告功能在休眠模式下不可用。當檢測到母線電壓高于46 V且持續(xù)時間大于100 ms而小于200 ms，并且PSKILL信號為低電平時，BBU將喚醒并退出休眠模式。

■   待機模式：BBU模塊已充滿電且運行正常，并持續(xù)監(jiān)控母線電壓，以便為放電事件做好準備。BBU模塊在其使用壽命的大部分時間都以這種模式運行。BBU模塊的狀態(tài)和參數(shù)通過通信總線顯示在上游機架監(jiān)視器上。

■   放電模式：當母線電壓降至48.5 V以下且持續(xù)時間大于2 ms時，BBU模塊放電模式就會激活。BBU模塊預計將在2 ms內(nèi)接管母線電壓，備用時間為4分鐘。

■   充電模式：當所有條件都滿足時，BBU模塊使能其內(nèi)部充電器電路，為其電池包充電。根據(jù)電池容量的上次放電深度，充電電流可以為0 A至5.5 A之間的任意值。它還允許上游系統(tǒng)通過通信總線超控充電電流。應(yīng)該有一個基于計算的充電電流的充電器超時控制方案。

■   運行狀態(tài)檢查(SOH)模式：BBU模塊通過對電池包進行強制放電來例行測試電池包容量。BBU模塊應(yīng)每90天執(zhí)行一次SOH測試，以確定電池的EOL狀態(tài)。

■   系統(tǒng)控制模式：BBU應(yīng)允許上游系統(tǒng)通過通信總線控制充電/放電操作。

除了BBU模塊運行要求外，OCP還規(guī)定了電池包容量、電芯類型和電池包配置的標準。具體說明如下：

■   電池包容量：BBU模塊可以在4年時間里提供不超過4分鐘的3 kW備用電源。

■   電芯類型：BBU模塊應(yīng)為鋰離子18650型，電芯電壓為3.5 V至4.2 V，電池容量至少為1.5 AH，連續(xù)額定放電電流為30 A。

■   電池包配置：BBU模塊的電池包配置為11S6P（6個串聯(lián)組合并聯(lián)在一起，每個串聯(lián)組合由11個電芯串聯(lián)而成）

此外，BBU模塊需要有BMS來提供電池充電/放電算法、保護、控制信號和通信接口。BMS還負責建立電芯平衡電路，使電池包中的電芯電壓保持在±1% (0.1 V)容差以內(nèi)。

參考設(shè)計框圖（見圖3）顯示了選定的器件，以及為完成某些任務(wù)而集成的各種元件，它們構(gòu)成的電路能夠提供不間斷電源、判斷模塊運行狀況和故障并執(zhí)行模塊通信。LT8228是一款雙向同步控制器，位于BBU模塊內(nèi)。該器件在線路電源中斷的情況下提供電源轉(zhuǎn)換，并在非故障運行期間提供電池充電功能。LT8551是一款4相同步升壓DC-DC相位擴展器，與LT8228協(xié)同工作，將放電功率輸送能力提高至每個BBU模塊3 kW。除了電源轉(zhuǎn)換IC外，BBU模塊還包含MAX32690，它是一款超低功耗Arm?微控制器，負責整個系統(tǒng)的運行。LTC2971是一款2通道電源系統(tǒng)管理器，用于實現(xiàn)電源路徑的精密感知和故障檢測，以及關(guān)鍵的電壓下降功能。MAX31760是一款精密風扇轉(zhuǎn)速控制器，用于在充電和放電操作期間執(zhí)行系統(tǒng)散熱功能。EEPROM用作數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，允許用戶在BBU模塊可用期間恢復任何有用數(shù)據(jù)。除了電源轉(zhuǎn)換器和負責一般管理任務(wù)的微控制器之外，設(shè)計中還包含BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多電芯電池監(jiān)控器，用于監(jiān)測電池電壓水平，而其固有的庫侖計數(shù)器用于確定充電狀態(tài)(SOC)和SOH水平，以進行電池平衡和電池預期壽命計算。電池運行狀態(tài)監(jiān)控程序由超低功耗Arm微控制器MAX32625完成。兩款微控制器均經(jīng)過精心挑選，以降低總功耗，從而延長BBU休眠工作模式期間的電池壽命。

除了所提供的器件之外，該參考模塊還提供和構(gòu)建了BBU模塊（見圖4a）和BBU層板（見圖5），以容納和展示符合OCP ORV3 BBU模塊和層板機械規(guī)范的參考設(shè)計。BBU層板包括6個BBU模塊插槽，因此單個BBU層板可根據(jù)需要提供高達18 kW的備用電源。

圖3 ADI OCP ORV3 BBU框圖

圖4 (a) ADI BBU模塊的3D渲染機械概覽，(b) 氣流仿真

機械渲染和氣流仿真是BBU模塊參考設(shè)計在架構(gòu)上的兩個優(yōu)勢。首先，它支持可視化，可提供準確且有吸引力的表示形式。機械結(jié)構(gòu)分析可盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題和潛在變化，這有助于整個設(shè)計過程。最后但同樣重要的是，它可以減少對耗時又昂貴的實際原型的需求。另外，氣流仿真可以提供性能分析，幫助識別潛在問題并提高設(shè)計效率。它還負責熱管理，能夠協(xié)助識別熱點，優(yōu)化熱損失，并增強整體系統(tǒng)可靠性。此外，它還能夠根據(jù)安全和合規(guī)的要求規(guī)劃電池包空間，從而降低風險。更多信息請參見圖4b。

圖5 已插入六個BBU模塊的ADI BBU層板的3D渲染

數(shù)據(jù)與結(jié)果

下面給出的測試結(jié)果包括穩(wěn)態(tài)性能測量、功能性能波形、溫度測量和工作模式轉(zhuǎn)換。使用BBU模塊參考設(shè)計測試了以下配置：

表1 ORV3 BBU模塊參數(shù)

性能數(shù)據(jù)

效率與功率損耗

BBU模塊參考設(shè)計證明了它能夠在滿足ORV3 BBU規(guī)范的約束條件下，實現(xiàn)更高的效率和更低的功率損耗。放電和充電限制分別設(shè)置為97%和95%。在放電操作期間，測得的半負載(31.6A)平均效率為98.5%，而滿負載(63.2A)平均效率為98%。受更大電感的影響，較低的MOSFET漏源導通電阻和精心選擇的開關(guān)頻率將有助于提高效率和降低紋波電流。此外，BBU模塊在5 A負載的充電操作期間實現(xiàn)了97%的高平均效率。在使用相同電感值的情況下以400 kHz開關(guān)頻率運行時，效率得到提高，功率損耗也充分降低。高效率和較低功率損耗將有助于延長電池壽命周期，并降低散熱所需的風扇轉(zhuǎn)速。參見圖6。

另一方面，控制和同步MOSFET的傳導損耗會影響B(tài)BU放電和充電操作期間的整體功率損耗。

圖6 放電和充電工作模式期間各自的效率和功率損耗

輸出壓降

ORV3 BBU規(guī)范的另一個要求是在放電工作模式期間考慮壓降。電壓下降是指在驅(qū)動系統(tǒng)負載時有意降低BBU背板電壓的現(xiàn)象。BBU背板電壓將根據(jù)LTC2971在線DAC測得的系統(tǒng)負載電流而實時改變。因此，從空載到滿載的背板壓降保持在ORV3 BBU要求的±1%限值以下。參見圖7。

圖7 放電工作模式期間的輸出壓降

開關(guān)波形

檢查開關(guān)波形可為性能評估、故障分析、效率優(yōu)化、降低EMI和安全考量提供有價值的信息。它讓工程師能夠發(fā)現(xiàn)和解決問題，優(yōu)化系統(tǒng)性能，確保數(shù)據(jù)中心BBU模塊可靠、高效運行。

BBU模塊的開關(guān)操作在放電工作模式期間至關(guān)重要，它將30 V至44 V電池包電壓轉(zhuǎn)換為48 V背板電壓。這是通過同步功率MOSFET實現(xiàn)的，它由LT8228脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號準確調(diào)節(jié)，配套的LT8551重復LT8228的操作。每相的開關(guān)頻率和均流導致電壓升高，是影響其運行的重要因素。主轉(zhuǎn)換器及其多相擴展器在滿載時的開關(guān)波形如圖8所示。在充電工作模式中，雙向轉(zhuǎn)換器以單相操作，將49 V至53 V背板電壓降低至44 V，為電池包充電。它的工作原理是快速切換同步功率MOSFET并使電感電流斜坡上升。雙向轉(zhuǎn)換器在5 A負載下的開關(guān)波形如圖9所示。

圖8 以44V輸入和63.2A輸出負載運行時，放電工作模式期間主控制器和擴展器的開關(guān)波形

圖9 以53V輸入和5A輸出負載運行時，充電模式期間主控制器的波形

熱性能

必須仔細平衡熱性能和效率。BBU模塊必須能夠承受高溫并持續(xù)工作，而不會過熱，同時也要以理想效率運行，能夠?qū)⒈M可能多的輸入功率轉(zhuǎn)化為輸出功率。在圖10中，在放電工作模式（滿負載運行約4分鐘）期間測得的電路板最差溫度僅為40°C至60°C。在充電模式下，同步MOSFET的溫度低于50°C。合理構(gòu)建的空氣散熱系統(tǒng)可降低元器件的發(fā)熱量，防止熱失控。為避免電池堆過熱，需要設(shè)計合理的電芯間距和適當?shù)臍饬?。參見圖11。

工作模式轉(zhuǎn)換

BBU模塊的工作模式轉(zhuǎn)換對于確保電源中斷或變化期間的不間斷供電至關(guān)重要。此過程包括將電池包能量順利傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的背板，確保重要系統(tǒng)和設(shè)備保持正常運行4分鐘。BBU模塊持續(xù)監(jiān)測背板母線電壓。當母線電壓在2ms內(nèi)下降至BBU模塊激活電平(48.5 V)時，BBU模塊背板電壓必須斜坡上升，以在2 ms內(nèi)為母線提供全部功率。在整個轉(zhuǎn)換過程中，母線電壓不得降至46 V以下。BBU模塊檢測到母線電壓超過48.5 V并持續(xù)200 ms以上后，退出放電工作模式。參見圖12。

圖10 放電和充電工作模式下各自滿載運行時電路板的熱性能

圖11 電池堆間隙設(shè)計

圖12 從穩(wěn)定狀態(tài)過渡到電源中斷狀態(tài)

總結(jié)

為了節(jié)省能源，數(shù)據(jù)中心正在轉(zhuǎn)向采用48 V系統(tǒng)。由于電流、銅損和電源母線尺寸更小，48 V服務(wù)器機架在功耗、散熱、尺寸及成本方面比12 V服務(wù)器機架更具效益。前端無調(diào)節(jié)的高效率電路級，后面接一個根據(jù)適當負載調(diào)整的穩(wěn)壓器，這樣的設(shè)計非常適合數(shù)據(jù)中心服務(wù)器微處理器和存儲器。這種高水平的思考，加上OCP的最新創(chuàng)新，為實現(xiàn)更高效的配電和智能備用電池單元設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，從而可以支持連續(xù)和無縫的操作。

為BBU模塊和層板選擇并實現(xiàn)合適的器件可以簡化整體設(shè)計，延長電池使用壽命，縮短漫長的工程開發(fā)周期，并有效降低工程和生產(chǎn)成本。此外，提供機械仿真可以簡化原型制作步驟，獲得可用于改進散熱和熱管理的數(shù)據(jù)，并增強設(shè)計可靠性。最后，提供適當且精心設(shè)計的固件算法和序列可確保BBU輕松順利地運行。

本系列的第二部分將針對面向BBU一般管理任務(wù)的專門設(shè)計，介紹BBU模塊的各種主要微控制器功能和操作。此外，第二部分將更深入地概述如何監(jiān)測有用信息，以及如何使用這些信息來構(gòu)建和執(zhí)行正確的工作流例程。

關(guān)于作者

Christian Cruz是ADI菲律賓公司的高級應(yīng)用開發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學的電子工程學士學位。他在模擬和數(shù)字設(shè)計、固件設(shè)計和電力電子領(lǐng)域擁有超過12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統(tǒng)通信應(yīng)用的電源管理需求。

Gary Sapia畢業(yè)于德克薩斯農(nóng)工大學，修讀了電力電子和RF系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)的高級技術(shù)課程，獲工程學士學位。他擁有超過28年的模擬系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)經(jīng)驗，包括用于通信和GPS市場的電源轉(zhuǎn)換和高頻解決方案。在加入ADI公司之前，Gary在凌力爾特（現(xiàn)為ADI的一部分）擔任現(xiàn)場應(yīng)用工程師18年，主要與思科和其他重要的灣區(qū)網(wǎng)絡(luò)公司開展合作。

Marvin Neil Solis Cabue?as畢業(yè)于菲律賓馬尼拉德拉薩大學，獲電子工程學士學位。在2021年加入ADI之前，Marvin曾在Azeus Systems菲律賓公司擔任系統(tǒng)工程師，然后在Technistock菲律賓公司擔任網(wǎng)絡(luò)工程師（2014年至2017年），并在2017年至2020年擔任諾基亞技術(shù)中心菲律賓公司的研發(fā)工程師。他在不同領(lǐng)域擁有超過十年的工作經(jīng)驗，如嵌入式系統(tǒng)編程、數(shù)字信號處理、仿真建模等。目前擔任高級軟件系統(tǒng)工程師，負責ADI電源事業(yè)部的不同項目。目前正在攻讀菲律賓大學電氣工程碩士學位。