摘要

　　本文概要介紹了開放計(jì)算項(xiàng)目開放機(jī)架第3版（OCP ORV3）備用電池單元（BBU）的系統(tǒng)要求,。文中強(qiáng)調(diào)了可在停電時(shí)提供電能的高效,、智能BBU的重要性,。此外,，本文展示了模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案,、電氣和機(jī)械解決方案及其為滿足書面規(guī)范而開發(fā)的架構(gòu)。

　　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(chǔ)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(chǔ)功能,。全球幾乎所有大公司和政府機(jī)構(gòu)都需要可靠的數(shù)據(jù)中心功能，以通過智能計(jì)算,、存儲(chǔ)和搜索來運(yùn)營和維護(hù)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(jìn)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(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)架第2版（OCP ORV2），其中背板電壓標(biāo)稱值為12 V,，系統(tǒng)功率為3 kW,。另一方面，使用量的增加導(dǎo)致功率需求增加,，這使得12 V系統(tǒng)的功率要求過高,，進(jìn)而不利于整體系統(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,，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(fù)雜散熱系統(tǒng)的需求,。這就是新的開放機(jī)架第3版標(biāo)準(zhǔn)（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(yùn)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(shí)間來察覺情況,，保存重要數(shù)據(jù),，并將操作切換到另一臺(tái)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(diǎn)）。這些應(yīng)對操作必須以無縫的方式完成,。每個(gè)機(jī)架都使用備用電源系統(tǒng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的延時(shí)電源,。這一需求在最新標(biāo)準(zhǔn)ORV3 BBU中被明確為：基于鋰離子電池儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)的電量，每個(gè)BBU單元需提供15 kW功率輸出,，維持系統(tǒng)運(yùn)行4分鐘,。

　　在該規(guī)范的指導(dǎo)下，ADI公司與OCP組織合作完成和制作了參考設(shè)計(jì)方案,，它包括：用于通過單一電路專門進(jìn)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(jì)系統(tǒng)主機(jī)微控制器以及硬件放大,。

　　設(shè)計(jì)要求和硬件實(shí)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(biāo)準(zhǔn)所需達(dá)到的構(gòu)思和設(shè)計(jì)要求,。BBU模塊參考設(shè)計(jì)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(yùn)輸或庫存狀態(tài),，或者未連接到有源母線,。此時(shí)電池放電電流最小，以延長儲(chǔ)存時(shí)間,。BBU監(jiān)控或報(bào)告功能在休眠模式下不可用,。當(dāng)檢測到母線電壓高于46 V且持續(xù)時(shí)間大于100 ms而小于200 ms，并且PSKILL信號(hào)為低電平時(shí),，BBU將喚醒并退出休眠模式,。

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

　　▲放電模式：當(dāng)母線電壓降至48.5 V以下且持續(xù)時(shí)間大于2 ms時(shí),，BBU模塊放電模式就會(huì)激活,。BBU模塊預(yù)計(jì)將在2 ms內(nèi)接管母線電壓，備用時(shí)間為4分鐘,。

　　▲充電模式：當(dāng)所有條件都滿足時(shí),，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(gè)基于計(jì)算的充電電流的充電器超時(shí)控制方案,。

　　▲運(yùn)行狀態(tài)檢查（SOH）模式：BBU模塊通過對電池包進(jìn)行強(qiáng)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)。具體說明如下：

　　▲電池包容量：BBU模塊可以在4年時(shí)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(gè)串聯(lián)組合并聯(lián)在一起，每個(gè)串聯(lián)組合由11個(gè)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(hù)、控制信號(hào)和通信接口,。BMS還負(fù)責(zé)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(jì)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(yùn)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(yùn)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(kuò)展器，與LT8228協(xié)同工作,，將放電功率輸送能力提高至每個(gè)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(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,。LTC2971是一款2通道電源系統(tǒng)管理器，用于實(shí)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(fēng)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(chǔ)設(shè)備，允許用戶在BBU模塊可用期間恢復(fù)任何有用數(shù)據(jù),。除了電源轉(zhuǎn)換器和負(fù)責(zé)一般管理任務(wù)的微控制器之外,，設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器用于確定充電狀態(tài)（SOC）和SOH水平，以進(jìn)行電池平衡和電池預(yù)期壽命計(jì)算,。電池運(yùn)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(jī)械規(guī)范的參考設(shè)計(jì),。BBU層板包括6個(gè)BBU模塊插槽，因此單個(gè)BBU層板可根據(jù)需要提供高達(dá)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(jī)械概覽，（b） 氣流仿真,。

　　機(jī)械渲染和氣流仿真是BBU模塊參考設(shè)計(jì)在架構(gòu)上的兩個(gè)優(yōu)勢,。首先，它支持可視化,，可提供準(zhǔn)確且有吸引力的表示形式,。機(jī)械結(jié)構(gòu)分析可盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題和潛在變化，這有助于整個(gè)設(shè)計(jì)過程,。最后但同樣重要的是,，它可以減少對耗時(shí)又昂貴的實(shí)際原型的需求。另外,，氣流仿真可以提供性能分析,，幫助識(shí)別潛在問題并提高設(shè)計(jì)效率,。它還負(fù)責(zé)熱管理，能夠協(xié)助識(shí)別熱點(diǎn),，優(yōu)化熱損失,，并增強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)。更多信息請參見圖4b,。

　　圖5.已插入六個(gè)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(jì)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(jì)證明了它能夠在滿足ORV3 BBU規(guī)范的約束條件下，實(shí)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(fù)載（31.6A）平均效率為98.5%,，而滿負(fù)載（63.2A）平均效率為98%,。受更大電感的影響，較低的MOSFET漏源導(dǎo)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(fù)載的充電操作期間實(shí)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(yùn)行時(shí),，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(fēng)扇轉(zhuǎn)速,。參見圖6。

　　另一方面,，控制和同步MOSFET的傳導(dǎo)損耗會(huì)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)負(fù)載時(shí)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(fù)載電流而實(shí)時(shí)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(jià)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(yùn)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(shí)現(xiàn)的,，它由LT8228脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，配套的LT8551重復(fù)LT8228的操作,。每相的開關(guān)頻率和均流導(dǎo)致電壓升高,，是影響其運(yùn)行的重要因素,。主轉(zhuǎn)換器及其多相擴(kuò)展器在滿載時(shí)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(fù)載下的開關(guān)波形如圖9所示,。

　　圖8.以44 V輸入和63.2 A輸出負(fù)載運(yùn)行時(shí)，放電工作模式期間主控制器和擴(kuò)展器的開關(guān)波形,。

　　圖9.以53 V輸入和5 A輸出負(fù)載運(yùn)行時(shí),，充電模式期間主控制器的波形。

　　熱性能

　　必須仔細(xì)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(huì)過熱，同時(shí)也要以理想效率運(yùn)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(fù)載運(yùn)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(jì)合理的電芯間距和適當(dāng)?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(yùn)行4分鐘,。BBU模塊持續(xù)監(jiān)測背板母線電壓,。當(dāng)母線電壓在2 ms內(nèi)下降至BBU模塊激活電平（48.5 V）時(shí)，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(gè)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(yùn)行時(shí)電路板的熱性能,。

　　圖11.電池堆間隙設(shè)計(jì)。

　　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(jī)架在功耗、散熱,、尺寸及成本方面比12 V服務(wù)器機(jī)架更具效益,。前端無調(diào)節(jié)的高效率電路級，后面接一個(gè)根據(jù)適當(dāng)負(fù)載調(diào)整的穩(wěn)壓器,，這樣的設(shè)計(jì)非常適合數(shù)據(jù)中心服務(wù)器微處理器和存儲(chǔ)器,。這種高水平的思考，加上OCP的最新創(chuàng)新,，為實(shí)現(xiàn)更高效的配電和智能備用電池單元設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)合適的器件可以簡化整體設(shè)計(jì),，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(jī)械仿真可以簡化原型制作步驟，獲得可用于改進(jìn)散熱和熱管理的數(shù)據(jù),，并增強(qiáng)設(shè)計(jì)可靠性,。最后，提供適當(dāng)且精心設(shè)計(jì)的固件算法和序列可確保BBU輕松順利地運(yùn)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(jì),，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,。

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