明智选择电源架构

 

工程技术人员在为计算机、服务器和其它设备设计电源电路时必须考虑多方面的问题(从处理器功率调节要求到电源线的数量等种种问题)，最终选定满足要求的“电源”架构。更好的理解这些架构，折衷考虑各种因素，将有助于为一个应用选择最佳实用方案。

“架构”指电源系统元件如何布局，及如何分配相关电源任务。

电源分类及主要架构

大多数电源都具有三个功能：将交流(AC)转换为直流(DC)，将输入与输出隔离，对输出电压或电流进行调节。有些电源架构将这三个功能集于一个装置内(如台式PC电源)。而另一些架构则可能对某个特定电路部分，提供额外的隔离或调节。考虑到这些要求，可以将电源-转换产品分成三大类别：AC/DC电源、隔离DC/DC转换器和非隔离DC/DC转换器。主要电源架构见表1。

AC/DC电源

在早期许多服务器中，AC/DC电源放置在中心位置，执行全部功率转换。而后来的服务器则采用前端式AC/DC电源，这种电源可产生单独的输出电压，并在某些情况下产生辅助备用电源。它是利用简单高效电路，产生一个高压并在整个服务器机架内分配，提高电源密度。

尽管设计人员可以采用一个AC/DC电源为整个机架供电，也可以在各自的电路板上采用更小的AC/DC转换器，但现在大部分服务器是各层配备AC/DC 电源，实现供电。给整个机架供电的电源需要在某部分处理大功率等级，这是一项具有挑战性的工作——可能会增加设计成本。而在电路板上采用AC/DC转换器则是将高压放在用户可及的区域，这会带来安全问题。

隔离DC/DC转换器

隔离DC/DC转换器将用户、设备与危险电压隔离，防止接地回路, 进行递降转换并调节输出电压。典型的转换器通常可以将内部总线上48V电源转换成适于计算机和电信设备使用的低电压。

传统模块式“砖块形”DC/DC转换器处理的输出电压范围介于36V-75V之间，可以为半导体器件提供经隔离和调节的低电压。有些制造商还提供特种DC/DC转换器，称为中间总线转换器(intermediate bus converter)。这种器件不需要调节其输出电压，因为它是给可以进行最终调节的“下游”DC/DC转换器供电。

图1  前端式电源给服务器系统机架的各层供电

图2  载荷点转换器可直接在微处理器、存储器或接口电路等器件上进行良好的电压调节

图3  典型服务器具有前端式电源，这种电源可将48V电压分配到内部总线的刀片和电路板上

非隔离DC/DC转换器

非隔离DC/DC转换器通常直接通过负载调节电压。这种“载荷点”转换器即使在大电流下以及遇到快速瞬变时仍能保持严密的调节。通常通用非隔离转换器用于服务器中，其工作于12V总线上。

设计要求

或许为服务器选用电源架构仅需要考虑：提供可用电压，满足中间总线上所需功率。但在实际中还必须考虑成本、可用电源架构、尺寸及位置、可扩展性、设计和元器件重新使用、可靠性等因素，这些因素同样也会影响设计人员对架构的选择。

成本

毫无疑问，元件的成本在任何电源及功率分配设计中均起着主要作用。此外，还要把安全、可靠性、扩展要求及下面阐述的有关其它设计方面的选择因素考虑在成本之内。

可用电源架构

根据经验，在分配点上所需的功率越大，给该点提供的电压就越高。使用高压可以降低分配损耗、提高系统效率。但在整个服务器机架内传输400V电压则会增加安全问题，增大击穿可能，同时需要过载防护，这些问题通常限制了专用高性能服务器使用400V电源。

更为典型的是，服务器系统所依赖的是一种将48V电压分配到各个子系统的架构，如电路板及刀片式服务器(见注释)。在采用分布式电源架构(DPA)的系统中，子系统从48V总线上获得电源并采用DC/DC转换器产生低压。某些系统可能首先将48V电源转换成中间电压，一般为12V，然后利用附加DC/DC转换器来产生更低的电压。后者是服务器最普遍采用的技术之一，称为中间总线架构(IBA)。表2归纳了5种电源架构的优点和缺点。

基于中间总线架构的服务器系统采用一块电路板或总线，从前端式AC/DC电源到机架内的子系统，传送48V电源。例如，每个刀片式服务器都有一个48V至12V的转换器，它再给载荷点(POL)转换器供电。这种中间总线转换器具有一个隔离阻挡层，因此POL转换器无需提供隔离功能。在中间总线转换器内布置这种隔离电路，可以降低成本。分布式结构非常适合需要多种电压的应用。

尺寸和位置

电源转换电路放置的位置对设计人员所能选择的电源尺寸和形状有很大影响。形状笨拙、尺寸和侧高受限以及差的气流图，改进这些特性均可能需要使用高成本元器件，以满足电源可靠性要求。如将AC/DC电源放置在机架底部通常比在单个机架层上进行AC/DC转换需要更大的供电量。然而，尽管中心电源可能会提高电源分配系统的电气要求，但将电源放在机架底部可以减少繁杂的电缆。

尽管供应商已经为低侧高应用优化了水平安装的DC/DC转换器，但较大功率服务器系统更适合使用垂直安装的转换器。垂直安装的转换器转换冷却率高，因此可以使用更小的电路板或提供电路板上更高的元件密度。

可扩展性

采用集中式电源架构的服务器机架具有应对所有系统结构电源的特点——不管用户需要配置多少电路板或刀片式服务器。即使用户扩展系统，中心电源系统及其成本仍保持不变。相反，如果服务器采用分布式电源架构，每增添一块电路板均需要为其提供转换器，这是一种根据电源要求“现购现用”的方法。虽然后者可能有较低的初始成本，但考虑到扩展，如果装满整个机架，它的总成本则可能超过集中式电源构架服务器。

设计和元器件重新使用

虽然设计人员的目标是优化每个系统的电源设计, 但成本迫使他们必须权衡考虑。假设一个制造商已经大量购买了一种48V AC/DC 电源。工程技术人员则可以利用48V电源，再增加一个中间总线转换器来产生其新设计要求的12V电源。在这种情况下，工程技术人员可能会发现很难证明开发和使用新单独12V电源的开支是否合理。

可靠性

工程技术人员常常会因为可靠性和实用性而发生争论。所有工程师都希望提供可在任何时间使用的可靠系统。崇尚“最低限度要求”的设计人员则极力推荐简单、可靠的非隔离转换器，它们可以提供冗余电源。如果一个刀片式服务器的本地转换器失效，则系统可以将工作转交给另一个刀片式服务器，同时技术人员可以替换故障部件。但如果没有冗余板上转换器，则有助于降低成本。

另一方面，一些工程技术人员赞成不计任何代价的考虑实用性，简言之，个别故障，不管发生的可能性有多小，也不能让系统停止工作。因此设计人员试图采用高可靠性元器件，并为电源增加冗余电路，即若关键电源器件失效，则冗余电路将保持系统运转。但崇尚“最低限度要求”的设计人员则认为，增加冗余电源电路可能因设计复杂化而降低可靠性。

除考虑子系统的可靠性外，工程师还必须纵观整体系统要求，如果服务器可以容忍电路板功能丧失，则为该电路板设计冗余电源架构就没有任何益处。

结语

根据设计标准，考虑用户需要、公司利益以及设计能力，参考上面对服务器电源架构的探讨，将有助于给出实用架构的折衷方案。■

注：刀片服务器是指在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式服务器单元，实现高可用和高密度。每块“刀片”实际上就是一块系统主板。它们可以通过“板载”硬盘启动自己的操作系统，如Windows NT/2000、Linux等，类似于一个个独立的服务器，每个“刀片”均执行专门的任务，如文件传输，为Web页提供服务等等。在这种模式下，每一块母板运行自己的系统，服务于指定的不同用户群，相互之间没有关联。不过，管理员可以使用系统软件将这些母板集合成一个服务器集群。在集群模式下，所有的母板可以连接起来提供高速的网络环境，并同时共享资源，为相同的用户群服务。在集群中插入新的“刀片”，就可以提高整体性能。而由于每块“刀片”都是热插拔的，所以，系统可以轻松地进行替换，并且将维护时间减少到最小。