傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心大都通過(guò)UPS來(lái)給服務(wù)器供電，為了保證系統(tǒng)的高可靠性，通常采用了2N甚至2（N+1）的UPS冗余配置，得到兩路獨(dú)立輸入給雙電源服務(wù)器。然后服務(wù)器內(nèi)的兩個(gè)電源同時(shí)工作均分負(fù)載輸出12V以及5V等電壓給主板和相關(guān)部件供電，主板上還有一級(jí)VRM電源再將12V輸入進(jìn)一步降壓到1.3V等電壓給CPU以及周邊芯片供電。整個(gè)供電路徑非常復(fù)雜以及多處冗余，造成真正用于計(jì)算的能源不足30%。

　　UPS環(huán)節(jié)的節(jié)能其實(shí)可以通過(guò)采用一定技術(shù)手段，達(dá)到不太犧牲可靠性的情況下實(shí)現(xiàn)高效率，而且業(yè)界已經(jīng)有很多大規(guī)模運(yùn)行的案例，具體可參考拙作《數(shù)據(jù)中心市電直供方案介紹》等。

　　而服務(wù)器電源環(huán)節(jié)的節(jié)能往往受制于服務(wù)器設(shè)備廠商，畢竟一般用戶無(wú)法定制服務(wù)器并且在電源效率指標(biāo)等方面沒(méi)有太多話語(yǔ)權(quán)。更為主要的是目前數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)，比如PUE等是不考慮IT設(shè)備內(nèi)電源損耗的，因此一直沒(méi)有得到足夠的重視。這里也呼吁早日定制服務(wù)器設(shè)備的能源之星標(biāo)準(zhǔn)，或者按SPUE（Server PUE，即真正用于設(shè)備供電末端有效的能源利用指標(biāo)）來(lái)反映數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能水平。

　　言歸正傳，我們?cè)俜治鰝鹘y(tǒng)雙電源服務(wù)器的工作情況，以便找到節(jié)能辦法。其原理是正常工作時(shí)候每個(gè)服務(wù)器電源自動(dòng)均流各承擔(dān)一半負(fù)載。當(dāng)其中一個(gè)電源出現(xiàn)故障或者異常時(shí)候自動(dòng)退出，另外一個(gè)則承擔(dān)起全部負(fù)載，保證設(shè)備的可靠供電。

　　這種模式下設(shè)備的可靠性是得到了保證，但卻是以犧牲系統(tǒng)效率為代價(jià)的。我們知道電源的效率和負(fù)載率有一定的關(guān)系，通常是負(fù)載率越低效率越低，其效率曲線并不平坦。

而且通常IT設(shè)備廠商在選擇服務(wù)器電源的時(shí)候?yàn)榱吮ＷC系統(tǒng)可靠以及減少物料種類(lèi)，會(huì)選擇容量較大的成熟電源，來(lái)覆蓋盡可能多的各種不同型號(hào)不同功率的服務(wù)器。比如主流的兩三百瓦功耗的服務(wù)器會(huì)采用750W，甚至是1100W的服務(wù)器電源。那么這種情況下采用雙電源同時(shí)工作的服務(wù)器其電源負(fù)載率會(huì)很低，往往只有20%多，此負(fù)載率下普通電源效率只有80%左右，盡管這些電源的***效率號(hào)稱達(dá)到90%以上。造成本該用于計(jì)算的能源大量浪費(fèi)，而且散發(fā)到機(jī)房中還需要額外的空調(diào)能量來(lái)散熱。如下圖，某型號(hào)服務(wù)器能耗分布圖中占比達(dá)44%的other部分其實(shí)很大一部分來(lái)自AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能耗。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們自然而然想到幾種辦法，一種辦法是采用高效率電源模塊，特別是輕載下的高效率電源，這樣即便兩電源同時(shí)工作均分負(fù)載，但在低負(fù)載下仍保持較高效率，保證了系統(tǒng)的低能耗；另一種辦法是仍采用兩個(gè)模塊互為備份，但正常時(shí)候只讓一個(gè)其中一個(gè)電源帶載，另外一個(gè)處于備份，這樣來(lái)提高工作電源的負(fù)載率，從而提高服務(wù)器電源的效率；還有一種辦法是采用其他的備份技術(shù)，比如雖然設(shè)備只有一個(gè)服務(wù)器電源，但在其12V輸出端掛接電池備份，來(lái)替代另外一個(gè)電源。這樣即便工作電源出現(xiàn)輸入掉電，但仍有電池等備份保證系統(tǒng)繼續(xù)工作，直至柴油發(fā)電機(jī)起來(lái)繼續(xù)供電。***一種辦法是采用集中電源供電方案，單臺(tái)服務(wù)器內(nèi)不再有傳統(tǒng)的AC/DC電源，集中電源插框得到12V通過(guò)背板銅母排直接給每個(gè)服務(wù)器單元供電，這樣電源負(fù)載率很高，而且可以用更少的電源，進(jìn)一步降低成本，在下面分別介紹這幾種技術(shù)。

#p#　　1.1.采用輕載下高效率電源方案

　　這種方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)最為容易，只要采用輕載高效率電源模塊替代傳統(tǒng)服務(wù)器電源即可，這樣即便服務(wù)器電源的負(fù)載率只有20%甚至更低，仍可以得到較高的效率。但通常這種方案也是成本***的，因?yàn)槭紫入娫茨K的高效率需要采用超低功耗器件開(kāi)關(guān)器件，比如超低Rds（on）的MOSFET、SIC二極管或者GaN器件等，以及新拓?fù)浼夹g(shù)等，價(jià)格肯定不低，而且在此基礎(chǔ)上還要保證輕載下仍有高效率，那么技術(shù)難度和成本會(huì)進(jìn)一步增加。此外雙電源方案采用了兩個(gè)高效率電源，那么比單電源方案的投資要大。

　　這里也簡(jiǎn)單介紹一些輕載下高效率的技術(shù)方案，比如采用multiphase或者interleave等技術(shù)，原理是采用多相電源或者交錯(cuò)技術(shù)，當(dāng)電源工作在輕載下時(shí)，那么可以關(guān)掉其中的一些相，僅保留需要的路數(shù)在工作，達(dá)到高效率目的。這種技術(shù)也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性以及電源價(jià)格，當(dāng)然軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、低損耗器件以及合理設(shè)計(jì)也可以大大提升輕載下能耗。

　　1.2.采用只讓其中一個(gè)電源帶載，另外一個(gè)備份方案

　　這種方案的典型案例是facebook的市電直供服務(wù)器加48V電池備份方案，每臺(tái)服務(wù)器配一個(gè)277V交流輸入電源以及一個(gè)48V直流輸入電源，并用48V電池作為備份，兩電源模塊的12V輸出并在一起給設(shè)備供電。交流電源輸入電壓范圍為180V-305Vac，掉電保持時(shí)間最少20ms，輸出過(guò)壓保護(hù)15V，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨環(huán)溫調(diào)壓控制。電池備份采用另外一個(gè)450W DC/DC電源，當(dāng)5ms內(nèi)發(fā)現(xiàn)AC掉電，***10ms內(nèi)開(kāi)始DC供電，過(guò)渡期間兩者同時(shí)供。

　　由于市電輸入服務(wù)器電源在滿負(fù)載下有10到20ms的輸出保持時(shí)間，那么在輕載下輸出保持時(shí)間可以到30ms以上，假定10ms內(nèi)檢測(cè)到市電停電，喚醒休眠的48V電源并建立輸出電壓需要10ms內(nèi)，再預(yù)留10ms的buffer，那么可以在市電停電時(shí)喚醒48V輸入電源，并平滑過(guò)渡。

　　這樣，市電正常時(shí)候交流電源承擔(dān)全部負(fù)載，此負(fù)載率下電源達(dá)到***效率。48V電源處于冷備份，功耗很少，幾乎可以忽略。這種方案主要的風(fēng)險(xiǎn)是需要在很短時(shí)間內(nèi)喚醒備份電源，并平滑過(guò)渡切換到備份電源。該風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)解決辦法是采用長(zhǎng)輸出保持時(shí)間的服務(wù)器電源，那么這種電源需要較大母線電容或者采用較大功率電源來(lái)降額使用，這樣做也可能反倒造成效率降低，因此較難平衡。當(dāng)然也可以選用熱備份方案，犧牲一點(diǎn)效率，來(lái)保證切換過(guò)程中的可靠，畢竟可靠才是***位的。

#p#　　1.3.采用單電源加電池備份的方案

　　該方案的典型代表是Google的12V掛電池方案，采用分布式電源加分布式電池互為備份，原理是每個(gè)服務(wù)器帶一個(gè)電源并配一個(gè)12V鉛酸電池，市電正常時(shí)候市電直接給設(shè)備供電并同時(shí)給電池充滿電，市電中斷時(shí)候電池放電備份幾分鐘，直至柴發(fā)起來(lái)繼續(xù)供電。

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　　從網(wǎng)絡(luò)上摘抄的一些該電源的簡(jiǎn)單資料如下：1、電源輸出13.65V，額定輸出電流20.***，這個(gè)服務(wù)器的功耗大家可以估算了，不會(huì)超過(guò)250w，因此負(fù)載率很高。2、關(guān)于電池，免維護(hù)鉛酸蓄電池?zé)o疑，從公開(kāi)的資料上看其容量只有3.2Ah，充其量只能夠維持5、6分鐘。這個(gè)時(shí)間足夠保證電池在耗盡之前，柴油發(fā)電機(jī)能起來(lái)繼續(xù)給電源供電，保證系統(tǒng)不掉電。

　　該方案的核心技術(shù)是電池管理及切換控制，原理如下圖所示，當(dāng)市電正常時(shí)，直接整流得到13.65V給主板供電（選擇13.65V主要是考慮到線上壓降，以及電池電壓），同時(shí)給電池充滿電。電池充電電流由RBATT采樣電阻來(lái)限制，保證不會(huì)有大電流對(duì)電池充電造成電流充爆；當(dāng)市電停電時(shí)候放電通路馬上打通，電池直接給負(fù)載放電，直至柴發(fā)起來(lái)繼續(xù)供電。

　　隨著未來(lái)SSD硬盤(pán)技術(shù)以及風(fēng)扇PWM調(diào)壓技術(shù)的發(fā)展，以及主板上VRM電源的輸入范圍加寬，那么對(duì)12V的穩(wěn)定性不再要求在5%以內(nèi)，此時(shí)可以直接在12V上掛電池并進(jìn)行電池的均浮充管理，那么這種12V掛接電池方案的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

#p#　　1.4.集中電源供電方案

　　微軟在2010年推出ITPAC的機(jī)柜服務(wù)器方案，從概念圖上看機(jī)柜采用集中電源供電，并在12V母排集中掛鋰電池備份方案。分為上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)單獨(dú)供電，單機(jī)柜達(dá)到18.6KW功率給96臺(tái)服務(wù)器供電。市電正常時(shí)候直接給設(shè)備供電，市電停電后靠鋰電池過(guò)渡，直至柴發(fā)起來(lái)。

　　選用的4.5KW的服務(wù)器電源也是高效率的電源模塊，通過(guò)12V集中母排給服務(wù)器子機(jī)單元供電。

　　這種方案大大減少了整機(jī)柜的服務(wù)器電源模塊數(shù)量，從分布的每臺(tái)服務(wù)器需要兩個(gè)電源減少成整個(gè)機(jī)架只需少量的電源模塊，這樣選擇單位瓦數(shù)價(jià)格更低的中大功率電源。由于插框電源通常采用N+1配置，這樣保證了即便出現(xiàn)某個(gè)電源模塊故障系統(tǒng)仍能可靠工作。且N+1配置情況下，電源模塊的負(fù)載率得到大大提升，保證了電源的高效率。

　　這種在12V母排上掛電池的方案還可以進(jìn)一步節(jié)能，比如利用智能節(jié)能休眠策略，在設(shè)備CPU利用率較低時(shí)候，可以關(guān)掉多余的電源模塊，讓電源工作在***效率點(diǎn)；而在CPU利用率高的時(shí)候啟用更多的模塊；在兩者的切換過(guò)程中通過(guò)電池作為瞬間負(fù)載的buffer。保證在全負(fù)載范圍內(nèi)都實(shí)現(xiàn)高效率，真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)能源管理。

　　結(jié)語(yǔ)

　　服務(wù)器電源有很多潛力可挖，采用合適的供電結(jié)構(gòu)以及通過(guò)一定的技術(shù)手段，在保證統(tǒng)可靠性的情況下，實(shí)現(xiàn)較高的效率，達(dá)到很高的投資收益比。