CN102782981A - 电子器件的电力供应 - Google Patents

Abstract

提供了适于将来自四个输入线的电力分配至以N+1架构配置的多个电力供应单元（PSU）的示意性实施例。在一个此类实施例中，多个整流器器件具有第一端及第二端，所述多个整流器器件中的每个整流器器件在所述第一端处连接至所述四个输入线中的一个输入线，且适于在第一操作模式中由第一继电器旁路并在第二操作模式中提供整流后的输入电流。多个第二继电器连接在所述多个整流器器件的所述第二端中的每个第二端之间。所述多个第二继电器适于在所述第二操作模式中闭合，以在连接所述多个PSU中的每个PSU的单个节点中汇合来自所述多个整流器器件中的每个整流器器件的所述整流后的输入电流。

Description

电子器件的电力供应

技术领域

本发明一般地涉及电子器件的电力供应，更具体地说（但不排它），涉及一种在用于计算环境中的四电源软线（line cord）系统中维持冗余的装置。

背景技术

N+1冗余电力系统包括连接至电气器件的多个（N+1）独立电力单元（诸如，电源），使得在一个电力单元发生故障时，系统藉由剩余N个单元继续正常工作。电力单元可为电源、不间断电源（UPS）或其它形式的电池后备。例如，当N=2时，N+1冗余电力系统具有三个电力单元。此类型的电力架构以最小成本及大小来提供冗余。

预期高可用性计算机系统由两个独立源或馈电器（feed）供电。用于将二电源软线冗余提供至N+1冗余电力系统的最常用方法是使用转接开关。转接开关将第一馈电器抑或第二馈电器（而非两者）连接至电气负载。

如将进一步描述，在偶数个输入馈电器传播至许多电力单元的情况下，单个馈电器的损失将导致冗余的损失。换言之，在原始配置N+1个电力单元的情况下，单个馈电器的损失导致仅N个电力单元保持操作。在一些情况下，这归因于N+1个电力单元的总电力需求超过剩余馈电器的供应电力（如将再进一步说明）。

发明内容

鉴于前述问题，需要一种机制，用于将双馈电器（由此具有偶数个输入电源软线）连接至奇数个电气负载，同时在发生输入电源软线中的一个的损失时维持冗余特性。因此，提供了适于将来自四个输入线的电力分配至以N+1架构配置的多个电力供应单元（PSU）的各种实施例。

根据本发明，提供了一种适于将来自四个输入线的电力分配至以N+1架构配置的多个电力供应单元（PSU）的装置，所述装置包括：多个整流器器件，所述多个整流器器件具有第一端及第二端，所述多个整流器器件中的每个整流器器件在所述第一端处连接至所述四个输入线中的一个输入线，且适于在第一操作模式中由第一继电器旁路并在第二操作模式中提供整流后的输入电流；以及多个第二继电器，所述多个第二继电器连接在所述多个整流器器件的所述第二端中的每个第二端之间，其中所述多个第二继电器适于在所述第二操作模式中闭合，以在连接所述多个PSU中的每个PSU的单个节点中汇合来自所述多个整流器器件中的每个整流器器件的所述整流后的输入电流。

在本发明的另一方面，提供了一种电力分配开关，其将四个输入线连接至以N+1架构配置的至少三个电力供应单元（PSU），所述电力分配开关包括：多个二极管；并联连接的多个第一开关及多个第二开关，所述第二开关中的每个第二开关连接至所述多个二极管中的一个二极管，其中所述多个第一开关及所述多个第二开关适于在所述多个第一开关中的每个第一开关闭合时在第一操作模式中旁路所述多个二极管中的每个二极管，并且在所述多个第二开关中的每个第二开关闭合时在第二操作模式中提供整流后的电力；以及多个第三开关，所述多个第三开关连接至所述多个二极管中的每个二极管，其中所述多个第三开关在按照所述第二操作模式闭合时适于在所述至少三个PSU中的每个PSU之间共享的公共节点中汇合来自所述多个第二开关中的每个第二开关的所述整流后的电力。

所述开关还可包括连接在所述四个输入线中的两个输入线与所述多个第一开关及所述多个第二开关中的一个开关之间的第四开关及第五开关，其中所述第四及第五开关适于交替地将所述两个输入线中的一个输入线连接至所述多个第一开关及所述多个第二开关中的所述一个开关。

所述开关还可包括控制器，所述控制器连接至所述第四及第五开关，其中所述控制器适于检测所述两个输入线中的一个输入线的故障，并且致动所述第四及第五开关以将所述两个输入线中的无故障的输入线连接至所述多个第一开关及所述多个第二开关中的所述一个开关。所述开关还可包括控制器，所述控制器连接至所述多个第一开关及所述多个第二开关中的每个开关及所述多个第三开关中的每个开关，其中所述控制器适于监视所述四个输入线的线路质量，并且根据所述线路质量在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间致动所述多个第一开关及所述多个第二开关以及所述多个第三开关。所述开关还可包括支路保护器件，所述支路保护器件连接在所述至少三个PSU与所述多个第一开关及所述多个第二开关中的每个开关之间以提供支路保护。

在本发明的另一方面，提供了一种制造电力分配开关的方法，所述电力分配开关将四个输入线连接至以N+1架构配置的至少三个电力供应单元(PSU)，所述方法包括：提供多个二极管；提供并联连接的多个第一开关及多个第二开关，所述第二开关中的每个开关连接至所述多个二极管中的一个二极管，其中所述多个第一开关及所述多个第二开关适于在所述多个第一开关中的每个第一开关闭合时在第一操作模式中旁路所述多个二极管中的每个二极管，并且在所述多个第二开关中的每个第二开关闭合时在第二操作模式中提供整流后的电力；以及提供多个第三开关，所述多个第三开关连接至所述多个二极管中的每个二极管，其中所述多个第三开关在按照所述第二操作模式闭合时适于在所述至少三个PSU中的每个PSU之间共享的公共节点中汇合来自所述多个第二开关中的每个第二开关的所述整流后的电力。

在一个此类实施例中，仅通过实例的方式，多个整流器器件具有第一端及第二端，所述多个整流器器件中的每个整流器器件在所述第一端处连接至所述四个输入线中的一个输入线，并且适于在第一操作模式中由第一继电器旁路并在第二操作模式中提供整流后的输入电流。多个第二继电器连接在所述多个整流器器件的所述第二端中的每个第二端之间。所述多个第二继电器适于在所述第二操作模式中闭合，从而在连接所述多个PSU中的每个PSU的单个节点中汇合来自所述多个整流器器件中的每个整流器器件的所述整流后的输入电流。

揭示了额外的装置及制造方法实施例，且所述实施例提供了相关优点。

附图说明

为了容易理解本发明的优点，将藉由参考附图中所说明的具体实施例来呈现上文简要描述的本发明的特定描述。应理解这些图式仅描绘本发明的典型实施例且因此并不被认为限制其范围，将经由使用附图藉由额外特殊性及细节来描述及解释本发明。

图1为常规单个电力转接开关的方块/示意图；

图2为额外的常规单个电力转接开关的方块/示意图；

图3为四个常规示意性输入电源软线的方块/示意图，其中一个馈电器离线；

图4为最初在图3中描绘的图示的另一描绘的方块/示意图，其展示N+1冗余的损失；

图5为用于维持N+1冗余的常规六电源软线实施方式的方块/示意图；

图6为造成N+1冗余的损失的示意性电力单元故障的方块/示意图；

图7为用于在至N+1冗余电力系统的偶数个输入电源软线之间分配电力的示意性装置的方块/示意图，其示出第一操作模式；

图8为最初在图7中展示的示意性装置的方块/示意图，其示出第二操作模式；

图9为图8中所描绘的配置的示意性电路仿真的曲线图，其中两个电源软线对三个负载供电，同时维持N+1冗余；以及

图10为两个电源软线对三个负载供电同时维持N+1冗余的示意性电路仿真的另一曲线图，其描绘输入电压的变化。

具体实施方式

预期高可用性计算机系统由两个独立电源或馈电器供电。当任何一个电源损失时，系统应仍维持完全冗余，亦即，电力将传送至所有N+1个电力单元。当N+1为奇数时，使用自动转接开关。下文在图1中展示此概念的基本形式，图1说明常规单个电力转接开关16的方块/示意图10。电力转接开关16允许两个输入馈电器12及14中的任一个（A或B）分别经由支路（branch circuit）保护器件22、24及26连接至电力单元28、30及32。

如所展示的电力转接开关16使用两个继电器18及20，继电器18及20交替地断开与闭合以提供来自两个输入馈电器12及14中的任一个的电力。通常继电器18及20被互锁以防止馈电器12及14同时连接至电力单元28、30及32。

为了使电力单元28、30及32在发生来自输入馈电器12及14中的一个的线电力损失的情况下完全工作，输入馈电器12及14两者必须在额定情况下供应完全系统电力。在一个实例中，在美国，机架安装存储设备通常连接至60A馈电器。在包括三（N+1）个相等负载的电力系统中，每一负载不能够要求多于20A。

然而，在一些实施方式中，仅可得到30A的服务。在这些情况下，提供四输入线解决方案。下文转至图2，描绘四输入线馈电器实施方式中的常规电力转接开关44的示意性方块/示意图34。如线36、38、40及42分别描绘的输入馈电器A（A1及A2）及B（B1及B2）将冗余电力经由支路保护器件50、52及54供应至电力单元56、58及60。

电力转接开关44包括如所展示的连接至输入线38及40的两个继电器46及48。此处再次地，通常两个继电器46及48被互锁以防止输入线38及40两者同时连接至电力单元58，且在任一时刻继电器46抑或继电器48可操作以将输入电力供应至电力单元58。

下文现转至图3及图4，描绘四个常规示意性输入电源软线的方块/示意图62，其中一个馈电器离线（图3），且说明四个输入线的另一描绘的方块/示意图70，其展示N+1冗余的损失。图3及图4包括图2中先前所描绘的示意性组件，诸如输入线36、38、40及42、支路保护50、52及54，及电力单元56、58及60。

如自图3及图4可见，使用四输入线解决方案，单个馈电器（A1及A2或B1及B2）的损失将导致冗余的损失（仅有N个电力单元运行）。首先参看图3，每个电力单元56、58及60额定为20A。如果使馈电器B的每个输入线40及42离线，则电力单元58及60必须共享由输入线38供应的电力。如图4进一步说明，此解决方案导致对电力单元58及60的电力供应不足，且如箭头72所示范，必须相应地使电力单元58离线。

接着参看图5，说明了藉由使用如所示的六个输入电源软线76、78、80、82、84及86的对此问题的平常解决方案74，其中使用继电器75交替地将每个冗余馈电器（A及B）经由支路保护器件50、52及54连接至电力单元56、58及60。继电器75分别包括开关77及79、81及83、以及85及87，以实现在馈电器中的一个（再次地，A或B）恰巧发生离线时将冗余电力提供至电力单元56、58及60。所描绘的实施方式提供前述问题的解决方案，然而，对用户而言大量输入电源软线可能不是所期望的，且四输入电源软线解决方案更为理想的。

在四输入线实施方式（其中在损失一个输入馈电器之后仅剩余两个输入电源软线）中维持冗余提出了挑战。一个电源软线的电力对于一个负载而言十分足够，但对于2个负载而言并不足够（例如，当两个电力单元需要40A时自一个输入电源软线仅可得到30A）。先前图4展示的已知解决方案简单地在馈电器损失时将一个电力单元断开连接。

现参看图6，再次展示图2中先前所描绘的配置以示范情境90，其中一个电力单元（例如，电力单元56）的故障而非输入电力的损失亦将导致冗余的损失。此处再次地，输入线36及38示为对应于馈电器A（A1及A2），且输入线40及42示为对应于馈电器B（B1及B2）。

电力单元56示为经由支路保护50连接至输入线36，而电力单元58连接至电力转接开关44（包括如先前所描绘的继电器46及48）。电力转接开关44可操作以将两个输入线38及40中的一个经由支路保护52连接至电力单元58。最后，电力单元60经由支路保护54直接连接至输入线42。

在正常运行条件下，诸如图2及图6中所描绘的解决方案将提供恰当电力分配。在损失一个馈电器（再次地，所描绘实施例中的A1及A2或B1及B2）的情况下，电力系统冗余亦将损失。在此状态中，N+1冗余损失，且单个电力单元故障将使系统关闭，如在馈电器B1及B2损失（藉此导致电力单元60的损失）且电力单元56离线的所描绘实施例中所展示的。

为了解决对用于将双馈电器（藉此具有偶数个输入电源软线）连接至奇数个电气负载，同时在发生输入电源软线中的一个的损失的情况下维持冗余特性的机制的需要，下文所说明的实施例描述在发生单个馈电器的损失的情况下组合AC电力且以全部冗余对电气组件（诸如，前述机架安装存储设备）供电的电力转接器件（诸如，自动转接开关或ATS器件）。按照此机制，将两个剩余AC电源（诸如，先前所描绘的30A电源）组合成单个电源（亦即，使用本实例的60A电源）以对电力单元（诸如，三个20A电力单元）馈电。

下文所说明的实施例提供用于将来自每个输入电源软线（诸如，具有四个输入电源软线的实施例）的电力分配至所有电力单元同时维持冗余（甚至在一个电气服务损失时亦如此）的机制。按照此机制，剩余AC输入电力线被整流、汇合在公共节点中并重新分配至所有输出负载，如将进一步描述。以此方式，将来自所有剩余输入电源软线的总电力分配至所有输出负载。使用先前实例，两个额定30A的电源软线可供应对各自要求20A的三个电力单元馈电所需的60A。在诸如图2中所描绘的先前已知解决方案中无法实现此功能性。例如，在该实施例中，不能够直接组合AC电流。

现转至图7，描绘根据本发明的一个实施例的示意性电力转接机制100，从而允许将来自四个输入电源软线的电力分配至N+1冗余电力系统，其中N为偶数。转接开关及整流器的一种配置将四个电源软线中的三个电源软线抑或四个电源软线中的两个电源软线连接至N+1电气负载。目前展示N=2且激励所有输入电源软线的状况。在预设AC操作模式中，整流器由继电器旁路。在此模式中提供最高效率（再次如图示）。

输入线102及104表示馈电器A（A1及A2）。输入线106及108表示馈电器B（B1及B2）。继电器116、128及140如所示可操作以分别提供经由节点124、136及148来自输入线102、104、106及108的输入电力，以旁路整流器器件122、134及146，抑或将电力提供至相同整流器器件122、134及146，所述电力在任一状况下分别在节点126、138及150处可见。

如进一步所展示，继电器116、128及140进一步包括并联的两个开关，诸如，开关118及120、130及132，以及142及144。本领域技术人员将了解，继电器116、128及140以及开关118至144可包括各种开关、继电器、接触器、受控开关及其它开关器件。类似地，整流器器件122、134及146可包括二极管及类似整流器器件。在所描绘的实施例中，继电器116、128及140可在预设AC操作模式中操作，其中整流器器件122、134及146由闭合后的开关118、130及142旁路。

继电器152示为包括在节点126、138及150中的每个节点之间串联的开关154及156。以此方式，继电器152（开关154及156）在闭合时可操作以变成支路保护器件158、160及162与电力单元164、166及168之间的共享或公共节点。

如本领域技术人员将预料的，支路保护器件158、160及162可针对特定实施方式而变化。例如，支路保护器件158、160及162可包括熔丝、熔丝元件、可熔连结件、断路器以及如本领域技术人员将预期的类似物。

另一继电器110示为具有并联的两个开关112及114。开关112在闭合时可操作以将来自线输入104的电力提供至节点136且最终提供至电力单元166。类似地，开关114在闭合时可操作以将来自线输入106的电力提供至节点136且最终提供至电力单元166。在每一状况下，开关112及114、118及120、130及132，以及142及144交替地致动，使得并联所述开关的相应线中的任一个（而非两者）在任一时刻处于作用中。

控制器101耦接至继电器110、116、128及140，且藉此耦接至开关结构112及114、118及120、130及132、142及144以及154及156中的每一个。如本领域技术人员将预料的，控制器101可适于例如监视输入线102、104、106及108上的输入线电压和/或电流电平（例如，以便监视线路质量），且致动继电器及开关结构以将最有效率的电力转移提供给PSU164、166及168。控制器101可在检测到来自输入线102、104、106及108中的一个或多个的电力中断和/或PSU 164、166及168中的一个的故障时将控制信号提供给上文所描述的开关结构。如本领域技术人员将预期的，先前所描述的继电器及开关器件可包括可电子控制的器件，诸如，晶体管（例如，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET））器件。

现转至图8，最初在图7中描绘的示意性电力转接机制现展示于配置170中，其中现在启用第二操作模式（整流AC操作模式）。在整流AC操作模式中，整流器122、134及146由继电器116、128及140切换至电路中。亦闭合继电器152（亦即，开关154及156）以形成如所展示的连接整流后的输入电流的节点（亦即，共享节点）。例如，当控制器101检测到馈电器的损失时，继电器116、128及140自AC模式转移至如所说明的整流模式。此外，如果控制器101判定电源软线104或106中的一个为离线，则继电器110（亦即，开关112及114）将切换。然而，在此状况下，并不需要第二整流AC模式。

当基于单个馈电器操作时，将在剩余的两个电源软线之间共享总系统电力。结果，考虑到所描绘的实施例，如果使馈电器B（输入线106及108）离线，则在馈电器A的剩余电源软线102与电源软线104之间共享总系统电力。每个电源软线应供应系统电力的1/2。所有电力单元将接收电力，且冗余得以维持。从以上实例，如果每个电源软线额定为30A，则两个电源软线可供应对三个20A负载馈电所需的60A。实际上，预期3个负载的总和显著小于60A，而2个负载的总和仍将显著大于30A。

要指出的是，作为实际实施方式，对来自相同馈电器的线的性质施加限制，即，所述线同相且在振幅上相差不大。实际上，当自相同配电板获得电力时并不难以满足同相要求。如果配电板含有3个相位，则需要注意为给定机架选择公共相位。在一个实施例中，鉴于实际及安全考虑，可实施限制模式以在由于任何原因使得单个电源软线超过其额定电流（例如，30A）时使配置返回N操作模式。

现转至图9，说明图8中所描绘的配置的示意性电路仿真的曲线图，其中使馈电器B（输入线106及108）离线，且使用馈电器A的剩余电源软线102及104对三个电力单元164、166及168供电。曲线172展示两个输入电压174（基本上彼此相迭），其中两个电压174大致同相且具有大致相同的量值。曲线176展示两个输入电流180（再次地，两者彼此相迭）。两个输入电流180的均方根（RMS）电流178大致相同，且如所示为约23A。曲线182展示三个输出电压184（再次地，具有大致相等的相位及量值）及三个输出电流186（此处再次地，具有大致相等的相位及量值）。

下文图10为两个电源软线对三个负载供电同时维持N+1冗余的示意性电路仿真的另一曲线图，其描绘输入电压的变化。曲线188再次地说明两个输入电压190，其展示两个输入电压190如图9中先前所描绘的那样具有大致相等的相位。两个输入电压190在量值上相差约2.5V。

曲线192说明两个输入电流198及200，及分别具有约16A及30A的量值的对应RMS电流196及194。峰值电压的差异导致输入电流的较大不平衡。诸如配电线长度之类的因素可导致输入电压的2.5V差异。结果，本领域技术人员将了解，应在任何实施方式期间考虑这些因素以尽可能实际地减少此类变化。

尽管已详细说明本发明的一个或多个实施例，但本领域技术人员将了解，可在不脱离如在以下权利要求中所阐述的本发明范围的情况下，对所述实施例进行修改及改变。

Claims (13)

1.一种适于将来自四个输入线的电力分配至以N+1架构配置的多个电力供应单元（PSU）的装置，所述装置包括：

多个整流器器件，所述多个整流器器件具有第一端及第二端，所述多个整流器器件中的每个整流器器件在所述第一端处连接至所述四个输入线中的一个输入线，且适于在第一操作模式中由第一继电器旁路并在第二操作模式中提供整流后的输入电流；以及

多个第二继电器，所述多个第二继电器连接在所述多个整流器器件的所述第二端中的每个第二端之间，其中所述多个第二继电器适于在所述第二操作模式中闭合，以在连接所述多个PSU中的每个PSU的单个节点中汇合来自所述多个整流器器件中的每个整流器器件的所述整流后的输入电流。

2.如权利要求1的装置，还包括继电器器件，所述继电器器件连接在所述四个输入线中的两个输入线与所述多个整流器器件中的一个整流器器件的所述第一端之间，其中所述继电器器件适于交替地将所述两个输入线中的一个输入线连接到所述多个整流器器件中的所述一个整流器器件。

3.如权利要求2的装置，还包括控制器，所述控制器连接至所述继电器器件，其中所述控制器适于检测所述两个输入线中的一个输入线的故障，并且致动所述继电器器件以将所述两个输入线中的无故障的输入线连接至所述多个整流器器件中的所述一个整流器器件。

4.如权利要求1的装置，其中所述多个整流器器件中的每个整流器器件进一步包括：

第一开关，所述第一开关连接至二极管以便在所述第一开关闭合时在所述第二操作模式中供应所述整流后的输入电流，以及

第二开关，所述第二开关与所述第一开关并联，且适于在所述第二开关闭合时在所述第一操作模式中旁路所述二极管。

5.如权利要求1的装置，其中所述多个整流器器件包括在所述第二端中的每个第二端处连接至所述多个PSU中的每个PSU的三个整流器器件，且所述多个第二继电器包括第三开关及第四开关，在所述第三及第四开关闭合时，所述第三及第四开关将所述多个PSU中的每个PSU连接在单个节点中。

6.如权利要求1的装置，还包括控制器，所述控制器连接至所述多个整流器器件中的每个整流器器件及所述多个第二继电器中的每个第二继电器，其中所述控制器适于监视所述四个输入线的线路质量，且根据所述线路质量在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间致动所述多个整流器器件及所述多个第二继电器。

7.如权利要求1的装置，还包括支路保护器件，所述支路保护器件连接在所述多个PSU中的至少一个PSU与所述多个整流器器件中的一个整流器器件之间以提供支路保护。

8.一种制造适于将来自四个输入线的电力分配至以N+1架构配置的多个电力供应单元（PSU）的装置的方法，所述方法包括：

提供多个整流器器件，所述多个整流器器件具有第一端及第二端，所述多个整流器器件中的每个整流器器件在所述第一端处连接至所述四个输入线中的一个输入线，且适于在第一操作模式中由第一继电器旁路并在第二操作模式中提供整流后的输入电流；以及

提供多个第二继电器，所述多个第二继电器连接在所述多个整流器器件的所述第二端中的每个第二端之间，其中所述多个第二继电器适于在所述第二操作模式中闭合，以在连接所述多个PSU中的每个PSU的单个节点中汇合来自所述多个整流器器件中的每个整流器器件的所述整流后的输入电流。

9.如权利要求8的制造方法，还包括提供继电器器件，所述继电器器件连接在所述四个输入线中的两个输入线与所述多个整流器器件中的一个整流器器件的所述第一端之间，其中所述继电器器件适于交替地将所述两个输入线中的一个输入线连接到所述多个整流器器件中的所述一个整流器器件。

10.如权利要求8的制造方法，还包括提供控制器，所述控制器连接至所述继电器器件，其中所述控制器适于检测所述两个输入线中的一个输入线的故障，并且致动所述继电器器件以将所述两个输入线中的无故障的输入线连接至所述多个整流器器件中的所述一个整流器器件。

11.如权利要求8的制造方法，其中提供多个整流器器件进一步包括，对于所述多个整流器器件中的每个整流器器件：

提供第一开关，所述第一开关连接至二极管以便在所述第一开关闭合时在所述第二操作模式中供应所述整流后的输入电流，以及

提供第二开关，所述第二开关与所述第一开关并联，且适于在所述第二开关闭合时在所述第一操作模式中旁路所述二极管。

12.如权利要求8的制造方法，其中提供多个整流器器件包括提供三个整流器器件，所述三个整流器器件在所述第二端中的每个第二端处连接至所述多个PSU中的每个PSU，并且提供多个第二继电器包括提供第三开关及第四开关，在所述第三及第四开关闭合时，所述第三及第四开关将所述多个PSU中的每个PSU连接在单个节点中。

13.如权利要求8的制造方法，还包括提供控制器，所述控制器连接至所述多个整流器器件中的每个整流器器件及所述多个第二继电器中的每个第二继电器，其中所述控制器适于监视所述四个输入线的线路质量，且根据所述线路质量在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间致动所述多个整流器器件及所述多个第二继电器。

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