明智選擇電源架構

2004年10月B版

工程技術人員在為計算機、服務器和其它設備設計電源電路時必須考慮多方面的問題(從處理器功率調節(jié)要求到電源線的數量等種種問題)，最終選定滿足要求的“電源”架構。更好的理解這些架構，折衷考慮各種因素，將有助于為一個應用選擇最佳實用方案。

“架構”指電源系統(tǒng)元件如何布局，及如何分配相關電源任務。

電源分類及主要架構

大多數電源都具有三個功能：將交流(AC)轉換為直流(DC)，將輸入與輸出隔離，對輸出電壓或電流進行調節(jié)。有些電源架構將這三個功能集于一個裝置內(如臺式PC電源)。而另一些架構則可能對某個特定電路部分，提供額外的隔離或調節(jié)。考慮到這些要求，可以將電源-轉換產品分成三大類別：AC/DC電源、隔離DC/DC轉換器和非隔離DC/DC轉換器。主要電源架構見表1。

AC/DC電源

在早期許多服務器中，AC/DC電源放置在中心位置，執(zhí)行全部功率轉換。而后來的服務器則采用前端式AC/DC電源，這種電源可產生單獨的輸出電壓，并在某些情況下產生輔助備用電源。它是利用簡單高效電路，產生一個高壓并在整個服務器機架內分配，提高電源密度。

盡管設計人員可以采用一個AC/DC電源為整個機架供電，也可以在各自的電路板上采用更小的AC/DC轉換器，但現在大部分服務器是各層配備AC/DC 電源，實現供電。給整個機架供電的電源需要在某部分處理大功率等級，這是一項具有挑戰(zhàn)性的工作——可能會增加設計成本。而在電路板上采用AC/DC轉換器則是將高壓放在用戶可及的區(qū)域，這會帶來安全問題。

隔離DC/DC轉換器

隔離DC/DC轉換器將用戶、設備與危險電壓隔離，防止接地回路, 進行遞降轉換并調節(jié)輸出電壓。典型的轉換器通?？梢詫炔靠偩€上48V電源轉換成適于計算機和電信設備使用的低電壓。

傳統(tǒng)模塊式“磚塊形”DC/DC轉換器處理的輸出電壓范圍介于36V-75V之間，可以為半導體器件提供經隔離和調節(jié)的低電壓。有些制造商還提供特種DC/DC轉換器，稱為中間總線轉換器(intermediate bus converter)。這種器件不需要調節(jié)其輸出電壓，因為它是給可以進行最終調節(jié)的“下游”DC/DC轉換器供電。

圖1  前端式電源給服務器系統(tǒng)機架的各層供電

圖2  載荷點轉換器可直接在微處理器、存儲器或接口電路等器件上進行良好的電壓調節(jié)

圖3  典型服務器具有前端式電源，這種電源可將48V電壓分配到內部總線的刀片和電路板上

非隔離DC/DC轉換器

非隔離DC/DC轉換器通常直接通過負載調節(jié)電壓。這種“載荷點”轉換器即使在大電流下以及遇到快速瞬變時仍能保持嚴密的調節(jié)。通常通用非隔離轉換器用于服務器中，其工作于12V總線上。

設計要求

或許為服務器選用電源架構僅需要考慮：提供可用電壓，滿足中間總線上所需功率。但在實際中還必須考慮成本、可用電源架構、尺寸及位置、可擴展性、設計和元器件重新使用、可靠性等因素，這些因素同樣也會影響設計人員對架構的選擇。

成本

毫無疑問，元件的成本在任何電源及功率分配設計中均起著主要作用。此外，還要把安全、可靠性、擴展要求及下面闡述的有關其它設計方面的選擇因素考慮在成本之內。

可用電源架構

根據經驗，在分配點上所需的功率越大，給該點提供的電壓就越高。使用高壓可以降低分配損耗、提高系統(tǒng)效率。但在整個服務器機架內傳輸400V電壓則會增加安全問題，增大擊穿可能，同時需要過載防護，這些問題通常限制了專用高性能服務器使用400V電源。

更為典型的是，服務器系統(tǒng)所依賴的是一種將48V電壓分配到各個子系統(tǒng)的架構，如電路板及刀片式服務器(見注釋)。在采用分布式電源架構(DPA)的系統(tǒng)中，子系統(tǒng)從48V總線上獲得電源并采用DC/DC轉換器產生低壓。某些系統(tǒng)可能首先將48V電源轉換成中間電壓，一般為12V，然后利用附加DC/DC轉換器來產生更低的電壓。后者是服務器最普遍采用的技術之一，稱為中間總線架構(IBA)。表2歸納了5種電源架構的優(yōu)點和缺點。

基于中間總線架構的服務器系統(tǒng)采用一塊電路板或總線，從前端式AC/DC電源到機架內的子系統(tǒng)，傳送48V電源。例如，每個刀片式服務器都有一個48V至12V的轉換器，它再給載荷點(POL)轉換器供電。這種中間總線轉換器具有一個隔離阻擋層，因此POL轉換器無需提供隔離功能。在中間總線轉換器內布置這種隔離電路，可以降低成本。分布式結構非常適合需要多種電壓的應用。

尺寸和位置

電源轉換電路放置的位置對設計人員所能選擇的電源尺寸和形狀有很大影響。形狀笨拙、尺寸和側高受限以及差的氣流圖，改進這些特性均可能需要使用高成本元器件，以滿足電源可靠性要求。如將AC/DC電源放置在機架底部通常比在單個機架層上進行AC/DC轉換需要更大的供電量。然而，盡管中心電源可能會提高電源分配系統(tǒng)的電氣要求，但將電源放在機架底部可以減少繁雜的電纜。

盡管供應商已經為低側高應用優(yōu)化了水平安裝的DC/DC轉換器，但較大功率服務器系統(tǒng)更適合使用垂直安裝的轉換器。垂直安裝的轉換器轉換冷卻率高，因此可以使用更小的電路板或提供電路板上更高的元件密度。

可擴展性

采用集中式電源架構的服務器機架具有應對所有系統(tǒng)結構電源的特點——不管用戶需要配置多少電路板或刀片式服務器。即使用戶擴展系統(tǒng)，中心電源系統(tǒng)及其成本仍保持不變。相反，如果服務器采用分布式電源架構，每增添一塊電路板均需要為其提供轉換器，這是一種根據電源要求“現購現用”的方法。雖然后者可能有較低的初始成本，但考慮到擴展，如果裝滿整個機架，它的總成本則可能超過集中式電源構架服務器。

設計和元器件重新使用

雖然設計人員的目標是優(yōu)化每個系統(tǒng)的電源設計, 但成本迫使他們必須權衡考慮。假設一個制造商已經大量購買了一種48V AC/DC 電源。工程技術人員則可以利用48V電源，再增加一個中間總線轉換器來產生其新設計要求的12V電源。在這種情況下，工程技術人員可能會發(fā)現很難證明開發(fā)和使用新單獨12V電源的開支是否合理。

可靠性

工程技術人員常常會因為可靠性和實用性而發(fā)生爭論。所有工程師都希望提供可在任何時間使用的可靠系統(tǒng)。崇尚“最低限度要求”的設計人員則極力推薦簡單、可靠的非隔離轉換器，它們可以提供冗余電源。如果一個刀片式服務器的本地轉換器失效，則系統(tǒng)可以將工作轉交給另一個刀片式服務器，同時技術人員可以替換故障部件。但如果沒有冗余板上轉換器，則有助于降低成本。

另一方面，一些工程技術人員贊成不計任何代價的考慮實用性，簡言之，個別故障，不管發(fā)生的可能性有多小，也不能讓系統(tǒng)停止工作。因此設計人員試圖采用高可靠性元器件，并為電源增加冗余電路，即若關鍵電源器件失效，則冗余電路將保持系統(tǒng)運轉。但崇尚“最低限度要求”的設計人員則認為，增加冗余電源電路可能因設計復雜化而降低可靠性。

除考慮子系統(tǒng)的可靠性外，工程師還必須縱觀整體系統(tǒng)要求，如果服務器可以容忍電路板功能喪失，則為該電路板設計冗余電源架構就沒有任何益處。

結語

根據設計標準，考慮用戶需要、公司利益以及設計能力，參考上面對服務器電源架構的探討，將有助于給出實用架構的折衷方案?！?/p>

注：刀片服務器是指在標準高度的機架式機箱內可插裝多個卡式服務器單元，實現高可用和高密度。每塊“刀片”實際上就是一塊系統(tǒng)主板。它們可以通過“板載”硬盤啟動自己的操作系統(tǒng)，如Windows NT/2000、Linux等，類似于一個個獨立的服務器，每個“刀片”均執(zhí)行專門的任務，如文件傳輸，為Web頁提供服務等等。在這種模式下，每一塊母板運行自己的系統(tǒng)，服務于指定的不同用戶群，相互之間沒有關聯。不過，管理員可以使用系統(tǒng)軟件將這些母板集合成一個服務器集群。在集群模式下，所有的母板可以連接起來提供高速的網絡環(huán)境，并同時共享資源，為相同的用戶群服務。在集群中插入新的“刀片”，就可以提高整體性能。而由于每塊“刀片”都是熱插拔的，所以，系統(tǒng)可以輕松地進行替換，并且將維護時間減少到最小。