CN102035247B - 一种集中式rack系统供电的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集中式RACK系统供电的设计方法，该方法采用N+1冗余电源模块通过中间电源背板转出+12V供电总线为机柜中多个计算刀片节点供电，电源模块和计算节点均采用金手指的连接方式通过电源背板连接在一起；其中，一级电源：是将交流220V市电转换到12V直流，由12V输出到系统内各服务器节点上，由各服务器节点板载的DC-DC二次电源进行转换，提供各服务器节点所需的12V、5V、3.3V、5VSB、-12V电压以及PS-ON和PowerGood开关机的时序信号；二级电源：是提高RACK系统内各服务器节点主机板的通用性以及对RACK系统内每个服务器节点提供短路保护功能，一旦某个服务器节点发生短路故障，二级电源能立即断开并停止向该服务器节点供电，从而避免整个RACK系统发生断电事故。
Description
技术领域
本发明涉及服务器机柜系统供电领域，具体涉及一种集中式RACK供电方法。
背景技术
互联网的快速发展，使得信息资源呈现爆炸式的增长，人们以网络为媒体，对信息的需求也在不断地增加。各种大规模的数据机房也应运而生。构成数据机房的个体—服务器、存储机柜的数量也在不断增加。随着信息量的增加，原已建成的机房不能部署更多的机柜。因此，可移动的集装箱数据机房应运而生。而组成移动机房的单元-RACK机柜的供电成为一个难点。由此，本文提出了一种集中式RACK供电设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种集中式RACK系统供电的设计方法。
本发明的目的是按以下方式实现的，集中式RACK供电是采用两级供电，采用N+1冗余电源模块通过中间电源背板转出+12V供电总线为机柜中多个计算刀片节点供电，电源模块和计算节点均采用金手指的连接方式通过电源背板连接在一起；其中，一级电源：是将交流220V市电转换到12V直流，由12V输出到系统内各服务器节点上，由各服务器节点板载的DC-DC二次电源进行转换，提供各服务器节点所需的12V、5V、3.3V、5VSB、-12V电压以及PS-ON和PowerGood开关机的时序信号；二级电源：是提高RACK系统内各服务器节点主机板的通用性以及对RACK系统内每个服务器节点提供短路保护功能，一旦某个服务器节点发生短路故障，二级电源能立即断开并停止向该服务器节点供电，从而避免整个RACK系统发生断电事故。
本发明的优异效果是，传统的机柜服务器系统一般采用220V的交流市电来给服务器电源供电。本发明提出的方案，就是采用N+1冗余电源模块通过中间电源背板转出+12V供电总线，来给机柜中多个计算刀片节点供电。同时，供电电源模块以及计算节点均采用金手指的连接方式通过电源背板连接在一块。极大地提高了供电系统的可靠性，实现无线缆连接，方便维护。当RACK系统中放置多台服务器时，不会因为其中某些服务器二级电源的损坏而影响同一机柜中其它服务器的稳定可靠运行。
具体实施方式
集中供电的功能是转换公共电网的电能，为RACK系统提供持续稳定的输出电压和充足的电流驱动能力，保障RACK系统正常运行。集中式RACK供电的整体设计采用两级供电的设计思想，一级电源实现交流220V市电到12V直流的转换，由12V输出到系统内各服务器节点上，由各服务器节点板载的DC-DC二次电源进行转换，提供各服务器节点所需的12V、5V、3.3V、5VSB、-12V电压以及PS-0N和PowerGood开关机的时序信号。由于集中式RACK供电的整体设计采用两级供电的设计思想，针对这两级供电具体设计思路，分别阐述如下。
一级电源设计
采用并联、模块化、N+1冗余、热拔插和故障检测、定位、隔离、报警、热更换和复位等功能电路的设计方式，保证在任何一个电源模块发生硬件故障时，可保障系统连续稳定的运行。
一级电源采用多模块并联供电方式，优化电源分配板上的输出耦合方式，保证模块间的均流输出。N+1(2组3+1并联供电方式)冗余供电方式不但有效的降低了电源成本，而且还充分保证RACK系统供电不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电源模块，提供分布式电源。所有的模块并联运行，平均负担当前的负载，电源阵列比额定容量多配置一个功率模块(1200W)，当一个模块出现故障时，特设的电路将故障模块从负载上断开，其它模块将立即支持所有负载，使其连续不间断地为RACK系统供电。一级电源系统通过电源背板向RACK系统各服务器节点供电。
一级电源设计有故障检测、定位、隔离、报警、热更换等功能电路，电源子系统内出现故障时，通过电源内的管理单元发送信息到RMC，实现高效的可监控和在线维护功能；一级电源子系统内设计有过压、过流、温度过高等多种安全保护电路，监控子系统可以根据电源本身以及系统的异常情况作出防护性措施，避免对RACK系统带来的致命性损害和其他的安全事故。
二级电源的设计
二级电源的设计思想：提高RACK系统内各服务器节点主机板的通用性以及对RACK系统内每个服务器节点提供短路保护功能(该功能主要是防止RACK系统内某个服务器节点发生短路故障而导致)。一旦某个服务器节点发生短路故障，二级电源能立即断开并停止向该服务器节点供电。从而避免整个RACK系统发生断电事故。本功能的有益效果是：当RACK系统中放置多台服务器时，不会因为其中某些服务器二级电源的损坏而影响同一机柜中其它服务器的稳定可靠运行。
关键技术分析
(1)N+1冗余设计
一次电源采用2组3+1冗余设计，可以在任意1个电源模块失效的情况下仍保证系统正常工作。
(2)热更换设计
电源模块设计支持热插拔，可进行无工具拆装，方便维护人员更换故障单元。故障单元更换后，电源子系统会重新恢复到正常状态。
(3)故障可检测和自处理设计
电源子系统内电源模块出现故障时，能够将故障模块进行隔离，发出告警信息到监控子系统RMC；出现过压、过流、温度超标等异常时，电源子系统内的功能电路自动的采取增大散热能力或自动断电等动作，避免对电源和整个系统的不良影响。
(4)节点短路保护功能
一旦某个服务器节点发生短路故障，二级电源能立即断开并停止向该服务器节点供电。从而避免整个RACK系统发生断电事故。
根据以上供电子系统的设计思想，供电子系统包括电源分配单元PDU、一级电源、电源背板、节点中板、二级电源、后备电池。
进入RACK三相380V转单相220V供电方案，是采用电源分配单元PDU来实现。
之所以采用PDU而不采用普通电源插排的供电方案，主要是为避免出现RACK安全隐患，这是因为PDU与普通电源插座相比，其电路设计安排更合理、品质和标准更严格、安全无故障工作时间长、插拔动作频繁而不易损坏、安装维护更灵活方便，可以从根本上杜绝了普通电源插座的因接触不良、负荷小而造成的频繁断电、烧毁、火灾等安全隐患。
进入机柜的两组380V三相电通过两个PDU转换成N组220V单相电，分别为RACK系统内的电源模块和交换机供电等外接设备或者扩充设备供电。
实施例
一级电源采用1组3+1并联冗余供电方式，每个电源模块配置5000W的额定输出功率，总的额定功率可达到15000W。所有的模块并联运行，平均负担当前的负载，当一个模块出现故障时，其它模块将立即支持所有负载，使其连续不间断地为RACK系统供电。一级电源设计有故障检测、定位、隔离、报警、热更换等功能电路。当电源子系统内出现故障时，通过电源内的管理单元发送信息到RMC，实现高效的可监控和在线维护功能；一级电源子系统内设计有过压、过流等多种安全保护电路，通过RMC监控电源本身以及系统的异常情况作出防护性措施，避免对RACK系统带来的致命性损害和其他的安全事故。
电源背板，支持的电源模块的数量为4个，共1个电源背板。固定在一级电源固定模块内；
设计指标是每个节点中板可为最多四个节点供电。设计高度为2U，支持节点的热拔插功能。热拔插端子与节点的金手指的接插件相配套。节点中板通过分配板后端的端子的接插件与电源背板相连接来进行取电。二级电源
为提高RACK系统内各服务器节点主机板的通用性以及对RACK系统内每个服务器节点提供短路保护功能(该功能主要是防止RACK系统内某个服务器节点发生短路故障而导致)而引入节点的二次电源设计。
二级电源采用热插拔设计；
二级电源起到的主要作用是可以采用标准的服务器主机板，而不用采用定制化的非标准的服务器主机板，提高节点的服务器主机板的通用性。其中12v输入，12V/5V/3.3V/5VSB以及PS-ON和PoweGood时序信号的输出。24Pin接口提供给主机板供电，8Pin接口给CPU和内存供电，4Pin接口给硬盘供电。RJ45接口把服务器主板的PSMI信号输出给RMC管理模块上。节点二次电源集成防止节点短路保护的电路设计，防止某个节点发生短路故障时，自动隔离断开，保护一级电源系统不宕机。效率在半载情况下90％以上。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
Claims (3)
1.一种集中式RACK系统供电的设计方法，其特征在于，集中式RACK供电是采用两级供电，采用N+1冗余电源模块通过中间电源背板转出+12V供电总线为机柜中多个计算刀片节点供电，电源模块和计算刀片节点均采用金手指的连接方式通过电源背板连接在一起；两级供电将交流220V市电转换到12V直流，由12V输出到系统内各服务器节点上，由各服务器节点板载的DC-DC二次电源进行转换，提供各服务器节点所需的12V、5V、3.3V、5VSB、-12V电压以及PS-0N和PowerGood开关机的时序信号；二级电源提高RACK系统内各服务器节点主机板的通用性以及对RACK系统内每个服务器节点提供短路保护功能，一旦某个服务器节点发生短路故障，二级电源能立即断开并停止向该服务器节点供电，从而避免整个RACK系统发生断电事故。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，一级电源采用并联、模块化、N+1冗余、热拔插和故障检测、定位、隔离、报警、热更换和复位功能电路的设计方式，保证在任何一个电源模块发生硬件故障时，保障系统连续稳定的运行；一级电源采用多模块并联供电方式，优化电源分配板上的输出耦合方式，保证模块间的均流输出，N+1冗余是所有的电源模块并联运行，平均负担当前的负载，电源阵列比额定容量多配置一个电源模块，当一个电源模块出现故障时，电路将故障电源模块从负载上断开，其它电源模块将立即支持所有负载，使其连续不间断地为RACK系统供电，一级电源系统通过电源背板向RACK系统各服务器节点供电；
一级电源设置有故障检测、定位、隔离、报警、热更换功能电路，电源子系统内出现故障时，通过电源内的管理单元发送信息到RMC，实现高效的可监控和在线维护功能；电源子系统内设置有过压、过流、温度过高多种安全保护电路，监控子系统根据电源本身以及系统的异常情况作出防护性措施，避免对RACK系统带来的致命性损害和其他的安全事故；
进入机柜的两组380V三相电通过两个PDU转换成N组220V单相电，分别为RACK系统内的电源模块和交换机供电的外接设备或者扩充设备供电。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，为了提高RACK系统内各服务器节点主机板的通用性以及对RACK系统内每个服务器节点提供短路保护功能而引入节点的二级电源设计，二级电源设置有12v输入接口，12V/5V/3.3V/5VSB以及PS-ON和PoweGood时序信号的输出接口，上述接口通过24Pin接口为主机板供电，8Pin接口给CPU和内存供电，4Pin接口给硬盘供电，RJ45接口把服务器主板的PSMI信号输出给RMC管理模块上，节点二次电源上集成有防止节点短路保护的电路设计，在某个节点发生短路故障时，自动隔离断开，保护一级电源系统不宕机，在半载情况下效率90％以上。
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