摘要

　　本系列文章的第五部分闡明ADI公司備用電池單元（BBU）參考設(shè)計(jì)中輔助電源的重要性。輔助電源包括與主電源輸出一起提供的補(bǔ)充電壓軌,，用于支持眾多組件和功能,。它對于確保BBU參考設(shè)計(jì)模塊中集成的電源器件的可靠和高效運(yùn)行至關(guān)重要,。

　　引言

　　對于采用先進(jìn)開放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）開放機(jī)架第3版（ORV3）架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò),、服務(wù)器和存儲設(shè)備,，電源單元（PSU）和BBU是支持它們正常運(yùn)行的命脈。中央電源轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)輸送所需的大部分電能。輔助電源組件則扮演著幕后的無名英雄,，為了維護(hù)包括PSU和BBU在內(nèi)的整個(gè)電源供應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的整體穩(wěn)健性、可靠性和安全性,，它發(fā)揮了不可或缺的作用,。

　　在接下來的詳細(xì)討論中，我們將研究輔助電源在BBU模塊參考設(shè)計(jì)中發(fā)揮的作用,，探索其功能和內(nèi)部機(jī)制,。通過深入探究輔助電源的復(fù)雜性，我們的目的是凸顯它為了確保不間斷電力供應(yīng)和保護(hù)重要技術(shù)資源免受損害而作出的重大貢獻(xiàn),。

　　后備電源

　　輔助電源用于提供BBU內(nèi)的副電源,。即使背板電源中斷或不可用，補(bǔ)充電源也會繼續(xù)為模塊內(nèi)的器件供電,，確保BBU內(nèi)存儲的關(guān)鍵操作能夠順利執(zhí)行,。這種后備電源讓該單元能夠保留和維持重要操作，例如安全轉(zhuǎn)換過程,、周密監(jiān)控,、復(fù)雜控制電路管理以及為低功耗器件持續(xù)供電。輔助電源通過在停電期間提供持續(xù)不間斷的電源,，確保模塊在需要時(shí)能夠分配電力,。這反過來可以起到緩沖器的作用，抵御潛在干擾,，并防止發(fā)生數(shù)據(jù)丟失,。

　　電壓調(diào)節(jié)

　　為使BBU內(nèi)部的器件達(dá)到理想性能，確保其處于恒定平衡和恒定電壓輸出狀態(tài)至關(guān)重要,。在這種情況下,，怎么強(qiáng)調(diào)輔助電源的重要性也不為過，因?yàn)樗洚?dāng)關(guān)鍵的保護(hù)措施,，可以監(jiān)督BBU模塊復(fù)雜架構(gòu)內(nèi)電壓控制的敏感區(qū)域,。輔助電源持續(xù)監(jiān)測輸出電壓，在嚴(yán)格定義的容差范圍內(nèi)對電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,，使其保持穩(wěn)定,。

　　這種調(diào)節(jié)猶如一道堅(jiān)實(shí)的屏障，有效地保障了BBU與其關(guān)聯(lián)器件之間的互動,。輔助電源確保能源供應(yīng)穩(wěn)定可靠,，防止電壓波動，避免引發(fā)故障,、數(shù)據(jù)損壞或物理損害,。

　　輔助電源通過精密校準(zhǔn)發(fā)揮關(guān)鍵作用。它不僅讓模塊保持高效運(yùn)行，還能保護(hù)所連接的器件,。憑借出色的精密度和可靠性,，數(shù)據(jù)中心的PSU、BBU和一系列相關(guān)器件能夠獲得更長的使用壽命,、更高的效率和持久的運(yùn)行活力,。

　　散熱和風(fēng)扇控制

　　有效的散熱管理對于防止電氣設(shè)備過熱至關(guān)重要。BBU內(nèi)部的風(fēng)扇由輔助電源供電并進(jìn)行協(xié)調(diào),。此散熱過程有助于保護(hù)BBU和受支持器件,。這種組合利用輔助電源來管理風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，創(chuàng)造平穩(wěn)高效的散熱環(huán)境,。這樣一來,，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好平衡，保持理想工作溫度,，防止過熱造成破壞性影響,。

　　熱量的耗散涉及熱動力學(xué)中復(fù)雜的相互作用。該系統(tǒng)會管理熱量,，防止因過熱而導(dǎo)致故障,。精心的溫度調(diào)節(jié)和輔助電源可提高性能和可靠性。

　　保護(hù)和安全特性

　　BBU具有一系列重要的安全和防護(hù)特性,，可保護(hù)所連接的器件和電源轉(zhuǎn)換器,。為了實(shí)現(xiàn)這些功能的部署和監(jiān)督，輔助電源的集成至關(guān)重要,。輔助電源支持一系列主動保護(hù)措施,，包括過壓、過流和短路保護(hù)以及溫度監(jiān)控等,。輔助電源通過連續(xù)實(shí)時(shí)檢查各種參數(shù),，確保對異常或問題做出快速反應(yīng),。這種快速激活的保護(hù)機(jī)制有效地避免了對PSU及其連接器件的損害,，減輕了電氣危險(xiǎn)，并顯著提高了系統(tǒng)的整體安全性,。

　　診斷評估

　　BBU在向連接的器件供電之前,，會定期進(jìn)行自診斷測試以驗(yàn)證其功能。在此過程中,，輔助電源會提供啟動和結(jié)束診斷程序所需的電壓和控制信號,。這種自我評估有助于及時(shí)檢測BBU內(nèi)的潛在故障，包括器件問題或電壓異常,。輔助電源的參與有助于通過及早識別和查明故障來增強(qiáng)PSU的性能,，并延長其使用壽命,。這種主動方法讓PSU工作更可靠，準(zhǔn)備更充分,，確保不間斷供電,，并大大降低系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

　　ADI的電源設(shè)計(jì)工具LTpowerCAD^?提供專為BBU輔助電源設(shè)計(jì)的定制工程見解和組件性能數(shù)據(jù),。這種強(qiáng)大的組合成功地加快了復(fù)雜的電氣評估過程,，縮短了原型設(shè)計(jì)階段，并大大加速了輔助電源電路的整體開發(fā)進(jìn)程,。這會明顯減少審查所花費(fèi)的時(shí)間，大幅降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,。

　　圖1展示了為優(yōu)化充電模式或放電模式下BBU運(yùn)行期間的能量流而設(shè)計(jì)的輔助電路,，其中體現(xiàn)了巨大的工程工作量。圖2則顯示了BBU休眠模式下的低功耗輔助電路,，它采用低壓差（LDO）穩(wěn)壓器和單通道降壓轉(zhuǎn)換器,。

　　圖1.BBU模塊在充電和放電過程中的輔助電路設(shè)計(jì)。

　　圖2.BBU模塊在休眠模式下的輔助電路設(shè)計(jì),。

　　為了給此類電源轉(zhuǎn)換器,、微控制器和其他外設(shè)供電，BBU模塊輔助電路包含表1所列的六個(gè)電壓軌,。

　　BBU充電或放電工作模式下的輔助電源

　　12 V偏置軌

　　LT8645S是一款高壓同步降壓控制器,，具有高達(dá)8 A的驚人負(fù)載能力。其主要功能是以非常高的精度將48 V背板電壓電源高效轉(zhuǎn)換為12 V輔助電壓電源,。該器件集成了旁路電容,，這使其有別于其他高壓降壓控制器。這一策略性選擇不僅可以減小PCB尺寸,，而且巧妙地解決了快速電流環(huán)路和電磁干擾（EMI）發(fā)射等難題,。這種組合顯著提高了整體效率，增強(qiáng)了控制器優(yōu)化能耗的能力,。

　　12 V偏置軌為電源轉(zhuǎn)換器,、風(fēng)扇電源和電流共享總線電路等基本組件提供支持。12 V偏置軌充當(dāng)這些關(guān)鍵組件的主要能源通道,，助力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫運(yùn)行和高性能,。這些組件在電源下有機(jī)結(jié)合在一起，其中LT8645在增強(qiáng)效率和功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。

　　5 V,、3.3 V、1.8 V和1.2 V偏置軌

　　采用四通道同步降壓控制器LT8692S是一個(gè)經(jīng)過深思熟慮的選擇,，旨在提供多種輸出：5 V,、3.3 V,、1.8 V和1.2 V。這種調(diào)整對于適應(yīng)降低的輔助電壓以與較低的總線電壓保持一致尤為重要,。該控制器在一個(gè)以2 MHz頻率運(yùn)行的單一振蕩器的引導(dǎo)下,，確保其輸出的精密度和同步性。

　　該器件真正的獨(dú)特之處在于集成了電容,，這一特性有效降低了布局對EMI的敏感性,，有助于滿足嚴(yán)格的EMI性能要求。因此,，其與噪聲敏感的設(shè)置和應(yīng)用的兼容性顯著增強(qiáng),。四通道架構(gòu)具有高集成度特點(diǎn)，不僅節(jié)省空間,，而且設(shè)計(jì)方法更加簡潔高效,。

　　為了解釋其使用方式，5 V偏置軌為放大器電源軌,、Modbus UART驅(qū)動器,、數(shù)字溫度傳感器和電源管理器件供電。3.3 V,、1.8 V和1.2 V輸出分別為EEPROM器件,、主微控制器單元（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS） MCU供電。

　　-3.0 V偏置軌

　　LTC1983為驅(qū)動BBU的運(yùn)算放大器提供關(guān)鍵的-3 V電源軌,，是電荷泵反相器的明智選擇,。該器件僅需一對附加電容即可支持高達(dá)100 mA的輸出負(fù)載，這證明其固有效率非常高,。值得注意的是,，這種高效率得益于其微小的外形尺寸，這一設(shè)計(jì)特性賦予了它獨(dú)特的優(yōu)勢——在BBU電源板上僅需1 mm空間即可發(fā)揮作用,。

　　BBU休眠工作模式下的輔助電源

　　3.3 V,、1.8 V和1.2 V偏置軌

　　MAX17551是一款性能突出的同步降壓轉(zhuǎn)換器，可將電池堆的48 V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V輸出,。此電壓充當(dāng)一個(gè)重要通道,，在主MCU和BMS MCU處于休眠模式時(shí)將電力輸送至其數(shù)字通用引腳。選擇這款降壓轉(zhuǎn)換器是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)勢：輸入電壓范圍寬廣,，從4 V到60 V,，通用性強(qiáng)；外形小巧,，節(jié)省空間,；運(yùn)行效率出色，最低功耗不到10 mW,。這些特性的融合使其成為提高電池堆整體耐用性和續(xù)航能力的優(yōu)選解決方案,。

　　ADP165LDO穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的降壓功能,，可準(zhǔn)確地將電源電壓從3.3 V降至1.2 V。這種有針對性的降壓可作為主要能源,，為主MCU和BMS MCU的核心操作供電,。在微控制器電路中巧妙地集成LDO穩(wěn)壓器可以改善電壓調(diào)節(jié)，顯著降低噪聲,，簡化設(shè)計(jì)架構(gòu),，提高運(yùn)行效率，并提升可靠性標(biāo)準(zhǔn),。此外,，ADP165的功耗不到15 μW，因此系統(tǒng)能耗大大降低,，電池的續(xù)航時(shí)間顯著延長,。

　　最后，為了供應(yīng)模擬和USB電源電壓以及其他一些核心電壓,，系統(tǒng)采用了MAX38911，它能準(zhǔn)確地將電源電壓從3.3 V降至1.8 V,。此LDO穩(wěn)壓器可以輸送高達(dá)500 mA的負(fù)載電流,，足以提供微控制器所需的負(fù)載電流。該電源轉(zhuǎn)換器在低功耗模式下消耗約19.2 μA的電源電流,，因而適合休眠工作模式,。

　　鑒于輔助電源在充電或放電操作期間的效率高達(dá)94%，而在休眠模式期間的效率為62%,，為了保持一致的理想性能,，怎么強(qiáng)調(diào)響應(yīng)式熱管理的重要性都不為過。為輔助電路選擇適當(dāng)器件的意義不僅僅在于提升普通功能,；更關(guān)鍵的是,，這構(gòu)成了在BBU不同工作狀態(tài)下的設(shè)計(jì)完整性的基礎(chǔ)。借助該策略可以預(yù)測整體功耗,，并估算電池的使用壽命,。此外，它支持以經(jīng)濟(jì)有效的方式改善輔助電路的性能,，最終全面提升該單元的整體效率,。¹

　　總結(jié)

　　在本系列的最后一篇文章中，輔助電源被描述為BBU的關(guān)鍵組件,，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各種重要功能,。其功能涉及許多關(guān)鍵責(zé)任，所有這些責(zé)任對于BBU的平穩(wěn),、可靠,、安全運(yùn)行都至關(guān)重要,。輔助電源作為后備電源，如同保護(hù)盾,，負(fù)責(zé)調(diào)整電壓水平,、管理散熱風(fēng)扇電源、采取保護(hù)措施以及開展開機(jī)自檢等,。這些操作精妙地相互作用,，以提供不間斷電源，保護(hù)器件,，并延長整個(gè)系統(tǒng)的壽命,。

　　輔助電源是為模擬和數(shù)字器件提供可靠補(bǔ)充電源的關(guān)鍵因素。隨著輔助電源技術(shù)的進(jìn)步,，數(shù)據(jù)中心PSU和BBU的效率和安全性不斷提升,，功耗不斷降低，推動創(chuàng)新達(dá)到新的高度,。我們不斷變化的技術(shù)世界對電源的需求日益增長,，而持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步是對這種需求的有力回應(yīng)，不僅塑造了我們的當(dāng)下,，也影響著未來的電氣化,。

　　本系列文章的每一篇都是一份全面的資源，提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo),，幫助設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程師獲得必要的見解,，以便基于OCP ORV3 BBU提供的復(fù)雜規(guī)范構(gòu)建更智能、更可靠,、更具成本效益的解決方案,。為此，文中提供了詳盡的器件選型流程,、周全的操作指南,、工程設(shè)計(jì)方法以及具體的程序性建議。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 David Sun,?！伴_放計(jì)算項(xiàng)目開放機(jī)架V3 48 BBU 1.3版”。開放計(jì)算項(xiàng)目,，2022年11月,。

更多精彩內(nèi)容歡迎點(diǎn)擊==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<