数据中心的IDC设备供电方式和效率分析研究

近年来云计算、大数据、社交、移动等热点不断冲击和影响着服务器市场，全球服务器市场也因此呈现出持续增长的态势。我国出现数千台服务器数据中心机房，运行功率为数十兆瓦或更高(天河2号高达24兆瓦)，而如何可靠安全地为这些数据中心的IDC设备供电时限制IDC设备发展的一个难点。IBM、Google、Facebook等公司在这些做了先行的研究并成功商业化。

交流和直流供电?

电网电压提供的是交流380V/220V、50Hz，而IT设备逻辑电路用的是直流低电压，这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备自然是完成两种制式电压的转换。我们可以来了解交流供电和直流供电(48V中间总线)。交流供电是传统的变压器输入方法，需要交流UPS的AC-DC转换和DC-AC逆变转换两个步骤。系统中多了2级转换的两个谐波源——负载侧AC/DC变换器输入和和UPS输出的DC/AC逆变输出，降低的能源使用效率，同时故障级点的增加来更高的维护成本。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率，对零、地线系统提出苛刻的要求等。而直流系统免去交流UPS环节，直接用电池备份方案起源于上世纪90年代，省去交流系统的UPS逆变②和③。整机的可靠性可以提高约10%。降低设备的生产成本和维护成本。而效率可以得到提高。48V的直流系统供电成功用于电信级产品。在电信机房中，我们通过交流整流柜实现AC到48V的直流转换，与48V备用电池结合为为48V中间总线给DC-DC供电。48V产生12V总线为板上负载点供电，如处理器、专用网络处理器、内存、以及核心交换ASIC芯片等供电。

高压直流供电， 即将交流整流成为380V直流与336V电池直接结合形成高压直流总线， 将大大降低在机房总线布线的铜损，机房布线380V总线相对48V总线电压升高8倍，损耗降低82即64倍。高压直流电压380V分布整个设施，在本地负载点实现DC/DC转换。还可以利用风能、太阳能等再生能源形成微电网给给整个设施供电。同时有效地降低单一电网供电保障难题。

BCM转换器?

在现行电路中，绝大多数的负载工作在12V以下的电压下， 如硬盘马达驱动为12V，SSD为5V/3.3V，DDR工作在1.2V，CPU的核电压1.8V等。转换系统所面临的挑战都是有关高效而可靠的产生低压/大电流。HVDC也能满足这一条件，用一个BCM ®总线转换器，通过变比K为1/8或1/23的转换产生380V到47.5V或11.875V总线。Vicor的BCM总线转换器是一个正弦波振幅转换器(Sine Amplitude Converter TM， 即 SACTM)，是一个零电压/零电流开关拓扑的架构，是一个隔离非稳压的DC-DC转换器。 除了输入/输出是直流电压，SAC像一个具有固定输入/输出电压比的交流变压器。SAC可以说实现98%的转换效率，同时由于SAC的软开关技术，开关频率超过了1MHz。

PRM升降电路?

根据ETSI规范，336V备份电池正常的工作范围260V-410V，当AC-DC失电情况下，备用电池总线电压因为放电而下降最低有可能为260V/8 即32V。我们需要在ETSI定义的满量程电压范围内提供适配器或均衡器来保持48V的电压轨稳定，这里Vicor提供一个零电压开关架构的升降压(Buck- Boost converter)。

这个Buck-Boost转换器实现预稳压功能模块及PRM ，在全型VI Chip 32.5mm*22mm*6.7 mm实现600W, 而在与RJ-45以太网插头大小相近的半型尺寸的VI Chip可以实现300W的功率。在这两种情况下，该结构可以保持高效率并且无缝、动态使用多个供电源，可以是高压整流柜的AC/DC，也可以算是再生能源或备用电池供电。

三种不同配电方式?

1.380V-48V升降压均衡适配器

传统的48V总线如线卡、路由器的架构的，在 交流整流柜或电池输出到380V总线经1/8转换得到一个32-50V的总线电压，经过升降压的调整实现一个48V/54V的稳定输出到板卡。 到板卡上再利用K=1/4 或1/5的IBC总线转换实现到12V/9.6V的总线，之后再通过多个nPoL分别实现CPU /DDR /GPU等供电。当然如果有AC/DC的输入设备，就需要48V到DC-AC的逆变电路。

2.380V-12V部分升降压均衡适配器

新型设计中380V通过1/8变比实现48V的总线(32-50V)，硬盘/风扇类电机驱动需要一个30-60V输入范围的ZVS降转换器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由功率分比架构FPA的PRM+VTM DC/DC转换实现。

3.380V-48V FPA VR13架构

380V通过1/8变比实现48V的总线(32-50V)，硬盘/风扇类电机驱动需要一个30-60V输入范围的ZVS降转换器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由功率分比架构FPA(Factory Power Architecture)的PRM+VTM DC/DC转换实现。

关于功率?

根据典型CPU负载与输配电源计算三种不同配电方式的效率， 而供电方式分别为AC-DC整流柜和满足ETSI的高压直流(备用电池)供电方式。利用Vicor的K=1/8或K=1/32的高压BCM可以实现对传统电路的改进，实现高效的高压直流的转换。