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作者：Christian Cruz，應用開(kāi)發(fā)工程師 Ralph Clarenz Matociños，助理工程師 ADI公司 摘要 本系列文章的第五部分闡明ADI公司備用電池單元(BBU)參考設計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充電壓軌，用于支持眾多組件和功能。它對于確保BBU參考設計模塊中集成的電源器件的可靠和高效運行至關(guān)重要。 引言 對于采用先進(jìn)開(kāi)放計算項目(OCP)開(kāi)放機架第3版(ORV3)架構的數據中心、網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器和存儲設備，電源單元(PSU)和BBU是支持它們正常運行的命脈。中央電源轉換器負責輸送所需的大部分電能。輔助電源組件則扮演著(zhù)幕后的無(wú)名英雄，為了維護包括PSU和BBU在內的整個(gè)電源供應生態(tài)系統的整體穩健性、可靠性和安全性，它發(fā)揮了不可或缺的作用。 在接下來(lái)的詳細討論中，我們將研究輔助電源在BBU模塊參考設計中發(fā)揮的作用，探索其功能和內部機制。通過(guò)深入探究輔助電源的復雜性，我們的目的是凸顯它為了確保不間斷電力供應和保護重要技術(shù)資源免受損害而作出的重大貢獻。 后備電源 輔助電源用于提供BBU內的副電源。即使背板電源中斷或不可用，補充電源也會(huì )繼續為模塊內的器件供電，確保BBU內存儲的關(guān)鍵操作能夠順利執行。這種后備電源讓該單元能夠保留和維持重要操作，例如安全轉換過(guò)程、周密監控、復雜控制電路管理以及為低功耗器件持續供電。輔助電源通過(guò)在停電期間提供持續不間斷的電源，確保模塊在需要時(shí)能夠分配電力。這反過(guò)來(lái)可以起到緩沖器的作用，抵御潛在干擾，并防止發(fā)生數據丟失。 電壓調節 為使BBU內部的器件達到理想性能，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，怎么強調輔助電源的重要性也不為過(guò)，因為它充當關(guān)鍵的保護措施，可以監督BBU模塊復雜架構內電壓控制的敏感區域。輔助電源持續監測輸出電壓，在嚴格定義的容差范圍內對電壓進(jìn)行精細調整，使其保持穩定。 這種調節猶如一道堅實(shí)的屏障，有效地保障了BBU與其關(guān)聯(lián)器件之間的互動(dòng)。輔助電源確保能源供應穩定可靠，防止電壓波動(dòng)，避免引發(fā)故障、數據損壞或物理?yè)p害。 輔助電源通過(guò)精密校準發(fā)揮關(guān)鍵作用。它不僅讓模塊保持高效運行，還能保護所連接的器件。憑借出色的精密度和可靠性，數據中心的PSU、BBU和一系列相關(guān)器件能夠獲得更長(cháng)的使用壽命、更高的效率和持久的運行活力。 散熱和風(fēng)扇控制 有效的散熱管理對于防止電氣設備過(guò)熱至關(guān)重要。BBU內部的風(fēng)扇由輔助電源供電并進(jìn)行協(xié)調。此散熱過(guò)程有助于保護BBU和受支持器件。這種組合利用輔助電源來(lái)管理風(fēng)扇轉速，創(chuàng )造平穩高效的散熱環(huán)境。這樣一來(lái)，系統能夠實(shí)現良好平衡，保持理想工作溫度，防止過(guò)熱造成破壞性影響。 熱量的耗散涉及熱動(dòng)力學(xué)中復雜的相互作用。該系統會(huì )管理熱量，防止因過(guò)熱而導致故障。精心的溫度調節和輔助電源可提高性能和可靠性。 保護和安全特性 BBU具有一系列重要的安全和防護特性，可保護所連接的器件和電源轉換器。為了實(shí)現這些功能的部署和監督，輔助電源的集成至關(guān)重要。輔助電源支持一系列主動(dòng)保護措施，包括過(guò)壓、過(guò)流和短路保護以及溫度監控等。輔助電源通過(guò)連續實(shí)時(shí)檢查各種參數，確保對異�；騿�(wèn)題做出快速反應。這種快速激活的保護機制有效地避免了對PSU及其連接器件的損害，減輕了電氣危險，并顯著(zhù)提高了系統的整體安全性。 診斷評估 BBU在向連接的器件供電之前，會(huì )定期進(jìn)行自診斷測試以驗證其功能。在此過(guò)程中，輔助電源會(huì )提供啟動(dòng)和結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內的潛在故障，包括器件問(wèn)題或電壓異常。輔助電源的參與有助于通過(guò)及早識別和查明故障來(lái)增強PSU的性能，并延長(cháng)其使用壽命。這種主動(dòng)方法讓PSU工作更可靠，準備更充分，確保不間斷供電，并大大降低系統發(fā)生故障的風(fēng)險。 ADI的電源設計工具LTpowerCAD®提供專(zhuān)為BBU輔助電源設計的定制工程見(jiàn)解和組件性能數據。這種強大的組合成功地加快了復雜的電氣評估過(guò)程，縮短了原型設計階段，并大大加速了輔助電源電路的整體開(kāi)發(fā)進(jìn)程。這會(huì )明顯減少審查所花費的時(shí)間，大幅降低電路設計的復雜性。 圖1展示了為優(yōu)化充電模式或放電模式下BBU運行期間的能量流而設計的輔助電路，其中體現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)穩壓器和單通道降壓轉換器。 
圖1.BBU模塊在充電和放電過(guò)程中的輔助電路設計。
圖2.BBU模塊在休眠模式下的輔助電路設計。 為了給此類(lèi)電源轉換器、微控制器和其他外設供電，BBU模塊輔助電路包含表1所列的六個(gè)電壓軌。 表1.BBU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8 A的驚人負載能力。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(zhù)提高了整體效率，增強了控制器優(yōu)化能耗的能力。 12 V偏置軌為電源轉換器、風(fēng)扇電源和電流共享總線(xiàn)電路等基本組件提供支持。12 V偏置軌充當這些關(guān)鍵組件的主要能源通道，助力系統實(shí)現無(wú)縫運行和高性能。這些組件在電源下有機結合在一起，其中LT8645在增強效率和功能方面發(fā)揮著(zhù)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(guò)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。這種調整對于適應降低的輔助電壓以與較低的總線(xiàn)電壓保持一致尤為重要。該控制器在一個(gè)以2 MHz頻率運行的單一振蕩器的引導下，確保其輸出的精密度和同步性。 該器件真正的獨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(mǎn)足嚴格的EMI性能要求。因此，其與噪聲敏感的設置和應用的兼容性顯著(zhù)增強。四通道架構具有高集成度特點(diǎn)，不僅節省空間，而且設計方法更加簡(jiǎn)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驅動(dòng)器、數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(BMS) MCU供電。 -3.0 V偏置軌 LTC1983為驅動(dòng)BBU的運算放大器提供關(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100 mA的輸出負載，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，這一設計特性賦予了它獨特的優(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換器，可將電池堆的48 V電壓轉換為穩定的3.3 V輸出。此電壓充當一個(gè)重要通道，在主MCU和BMS MCU處于休眠模式時(shí)將電力輸送至其數字通用引腳。選擇這款降壓轉換器是因為它具有以下優(yōu)勢：輸入電壓范圍寬廣，從4 V到60 V，通用性強；外形小巧，節省空間；運行效率出色，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航能力的優(yōu)選解決方案。 ADP165LDO穩壓器實(shí)現了更為復雜的降壓功能，可準確地將電源電壓從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穩壓器可以改善電壓調節，顯著(zhù)降低噪聲，簡(jiǎn)化設計架構，提高運行效率，并提升可靠性標準。此外，ADP165的功耗不到15 μW，因此系統能耗大大降低，電池的續航時(shí)間顯著(zhù)延長(cháng)。 最后，為了供應模擬和USB電源電壓以及其他一些核心電壓，系統采用了MAX38911，它能準確地將電源電壓從3.3 V降至1.8 V。此LDO穩壓器可以輸送高達500 mA的負載電流，足以提供微控制器所需的負載電流。該電源轉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，怎么強調響應式熱管理的重要性都不為過(guò)。為輔助電路選擇適當器件的意義不僅僅在于提升普通功能；更關(guān)鍵的是，這構成了在BBU不同工作狀態(tài)下的設計完整性的基礎。借助該策略可以預測整體功耗，并估算電池的使用壽命。此外，它支持以經(jīng)濟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 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，負責協(xié)調各種重要功能。其功能涉及許多關(guān)鍵責任，所有這些責任對于BBU的平穩、可靠、安全運行都至關(guān)重要。輔助電源作為后備電源，如同保護盾，負責調整電壓水平、管理散熱風(fēng)扇電源、采取保護措施以及開(kāi)展開(kāi)機自檢等。這些操作精妙地相互作用，以提供不間斷電源，保護器件，并延長(cháng)整個(gè)系統的壽命。 輔助電源是為模擬和數字器件提供可靠補充電源的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)輔助電源技術(shù)的進(jìn)步，數據中心PSU和BBU的效率和安全性不斷提升，功耗不斷降低，推動(dòng)創(chuàng )新達到新的高度。我們不斷變化的技術(shù)世界對電源的需求日益增長(cháng)，而持續的技術(shù)進(jìn)步是對這種需求的有力回應，不僅塑造了我們的當下，也影響著(zhù)未來(lái)的電氣化。 本系列文章的每一篇都是一份全面的資源，提供了準確的指導，幫助設計和應用工程師獲得必要的見(jiàn)解，以便基于OCP ORV3 BBU提供的復雜規范構建更智能、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、工程設計方法以及具體的程序性建議。 參考文獻 1 David Sun�！伴_(kāi)放計算項目開(kāi)放機架V3 48 BBU 1.3版”。開(kāi)放計算項目，2022年11月。 作者簡(jiǎn)介 Christian Cruz是ADI菲律賓公司的應用開(kāi)發(fā)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數字設計、固件設計和電力電子領(lǐng)域擁有超過(guò)12年的工程經(jīng)驗，包括電源管理IC開(kāi)發(fā)以及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前負責支持基于云的計算和系統通信應用的電源管理需求。 Ralph Clarenz Matociños畢業(yè)于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (PLM)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。他在模擬和數字設計以及電力電子方面，包括電池管理系統IC開(kāi)發(fā)和DC-DC電源轉換方面，擁有超過(guò)一年的工程經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識。 |
