CN103746365A

CN103746365A - 一种适用于数据中心的直流电源供电系统及其供电方法

Info

Publication number: CN103746365A
Application number: CN201410047977.9A
Authority: CN
Inventors: 景蔚亮; 陈邦明
Original assignee: Shanghai Xinchu Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Shanghai Xinchu Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明公开了一种适用于数据中心的直流电源供电系统，包括：数据中心，其内部包括多个服务器；电压转换模块，其与交流电源连接，用于将交流电转换为直流电源；至少一根直流电源总线，其分别与电压转换模块连接，直流电源总线具有固定电压的直流电源，其通过至少一根直流电源传输线分别连接至数据中心的服务器中，向数据中心供电。本发明大大降低了在供电过程中产生的废热，极大地提高了数据中心处理有用数据的能耗效率，增加了数据中心服务器的可靠性。本发明还公开了一种适用于数据中心的直流电源供电方法。

Description

一种适用于数据中心的直流电源供电系统及其供电方法

技术领域

本发明涉及服务器供电系统，尤其涉及一种适用于数据中心的直流电源供电系统及其供电方法。

背景技术

交流电一般是发电厂向用户供电的一种方式。如图1为现在传统的供电方式，发电厂为了减少远距离传输送电的损失并且允许使用更细(因此更便宜)的电线而采用交流电的形式向用户供电。在我国，发电厂向用户提供220V的交流电。然而，数据中心的许多设备最终都必须使用直流电。用户接收到发电厂提供的220V交流电后，通过UPS(UninterruptiblePower Supply)，即不间断电源，是一种含有储能装置，以整流器、逆变器为主要组成部分的稳压稳频的交流电源输送到服务器房中。通过每个服务器内含有的PSU(POWER SUPPLYUNIT)电源供电模块将输入进来的220V交流电源整合成较高直流电源(比如12V)，再将整合后的直流电源整合成不同的电压值(比如12V，3V，1.8V，1.1V等等)的直流电源，以对服务器供电。数据中心的这些设备中有许多从交流电转换为直流电的转换器，这些转换设备意味着低效，低效意味着热量的产生。

这些电流转换产生的热量直接会损害服务器的性能，并增加服务器的机房空调制冷成本。因为交流-直流电源变换中效率最低的就是交流整流部分，纯粹的直流-直流变换效率很容易可以做到95％以上，但是一般交流-直流稳压电源的效率能做到85％就很不容易了。在电信系统中，由于历史的原因也有采用-48V直流直接供电的设备，服务器和数据存储传输设备中集成电路元件的广泛被使用，这些元件需要12V、5V、3.3V、1.8V的标准工作电压。由于-48V变压成这些电压仍需要额外的转换器。另一方面，数据中心的能耗中，冷却就占了能耗的60％到70％!在现有的数据中心的供电中，只有1／3用在IT设备上，而制冷费用占到总供电的2／3。因此降低制冷能耗是数据中心节能的关键所在。机器有两个主要的发热来源，电源和处理器。电源往往是被忽略的部件。通常的电源大约有65％的能效，这意味着，35％的电能输入电源作为热量被散发掉。每增加10摄氏度的散热就降低了50％的硬件设备可靠度。

发明内容

本发明克服了现有技术中每个服务器中由于电源转换产生的大量热损耗，以及热损耗影响服务器的可靠度等缺陷，提出了一种适用于数据中心的直流电源供电系统及其供电方法。

本发明提出了一种适用于数据中心的直流电源供电系统，包括：

数据中心，其内部包括多个服务器；

电压转换模块，其与交流电源连接，用于将所述交流电转换为直流电源；

至少一根直流电源总线，其分别与所述电压转换模块连接，所述直流电源总线具有固定电压的直流电源，其通过至少一根直流电源传输线分别连接至所述数据中心的服务器中，向所述数据中心供电。

本发明提出的适用于数据中心的直流电源供电系统中，进一步包括至少一个电压调节模块，其设置在所述电压转换模块与所述直流电源总线之间，用于调节所述直流电源的电压。

本发明提出的适用于数据中心的直流电源供电系统中，所述数据中心中需求相同直流电压的服务器并联设置在同一根所述直流电源总线上。

本发明提出的适用于数据中心的直流电源供电系统中，所述直流电源传输线的数量与所述服务器所需的直流电压的种类数相同。

本发明提出的适用于数据中心的直流电源供电系统中，所述电压转换模块设置有散热装置，用以控制所述电压转换模块的工作温度。

本发明提出的适用于数据中心的直流电源供电系统中，所述直流电源传输线上进一步设置有直流电压稳压器，用于减小所述直流电源传输线上的直流电源的电压降。

本发明提出的适用于数据中心的直流电源供电系统中，所述直流电源传输线的横截面积如下式所示：

S≥I*p*L／(Us-Ud)；

上式中，S表示直流电源传输线的横截面积，I表示直流电源传输线的电流，p表示直流电源传输线的电阻，L表示直流电源传输线的长度，Us是与直流电源传输线连接的电压转换模块产生的直流电压源电压，Ud是与直流电源传输线连接的服务器的最小工作直流电压。

本发明还提出了一种适用于数据中心的直流电源供电系统的供电方法，包括如下步骤：

步骤一：分析数据中心中各服务器所需的直流电源的电压；

步骤二：利用至少一个电压转换模块，将交流电源转换满足所述各服务器的直流电压分配至所述直流电源总线；

步骤三：所述直流电源总线通过直流电源传输线连接至所述服务器上进行供电。

本发明提出的适用于数据中心的直流电源供电方法中，在所述电压转换模块上设置制冷装置，通过所述制冷装置对所述电压转换模块进行散热处理，控制所述电压转换模块的工作温度。

本发明大大降低了在供电过程中产生的废热，极大地提高了数据中心处理有用数据的能耗效率，增加了数据中心服务器的可靠性。

附图说明

图1为传统的从发电厂供电到服务器用电的一个过程图。

图2为本发明适用于数据中心的直流电源供电系统的示意图。

图3为实施例中服务器所需直流电压值表述图。

图4为本发明一转接口实例及其输出横截面示意图。

图5为传统传输高压交流电线横截面示意图。

图6为本发明中传输直流电线横截面示意图。

图7为在长距离传输直流电源总线时直流电源传输线上插入直流稳压器示意图。

图8为对每单个服务器机柜配置一个电压转换模块和电压调节模块示意图。

图9为对多个服务器机柜配置一个电压转换模块和电压调节模块示意图。

图10为对每个服务器房间配置一个电压转换模块和电压调节模块示意图。

图11为本发明提出的另一种服务器的直流电压接入接口示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明适用于数据中心的直流电源供电系统如图2所示，由供电部门提供220V的交流电源，在收到220V的交流电源后，在一个固定的地点(室内或室外)，将220V的交流电源直接转变成较高电压的直流电源直接向数据中心的服务器供电，或者再通过电压调节模块(VRM)将直流电源调节成数据中心中服务器的集成电路模块所需的各种直流电压，比如12V、5V、3.3V、1.2V、1.8V、0.9V等直流电源。将转换好后的不同电压值的直流电压组成一组直流电源总线，通过地面或者天花板传送到位于不同楼层的服务器房间，以提供不同的直流电压源供给服务器使用。

本发明的不同之处是在把交流电源传输到数据中心的服务器之前就已经将交流电源通过电压转换模块及电压调节模块转换成服务器所需要的各种直流电压，并将这些直流电源传输线组合成一组直流电源总线供给服务器使用，每个服务器中不配置电源转换装置及其散热装置。与现有技术相比较，本发明将传统电源传输过程中每个服务器配置的交流转直流的电源转换装置去除，只需要一次转换(交流到直流)，且这次转换所产生的热量可由水冷却或油冷等散热装置却来处理，电压转换模块及散热装置可放置在户外也可放置在户内某个特定地方然后将转换后的直流电源总线通过直流电源传输线传输到各个服务器房间，最后连至每个服务器主板上，供电每个集成电路芯片。直流电源传输线为超粗铜线。假设超粗铜线的横截面为S，铜线的电阻率是p，直流电源传输线的长度为L，则直流电源传输线上的电阻R=p*L／S。直流电源传输线上的电阻必须满足公式R≤(Us-Ud)／I(公式中Us是经电压转换模块转换后的直流电压源电压，Ud是服务器上标注的最小工作直流电压，I是直流电源传输线上的电流)，即所述超粗铜线横截面积S≥I*p*L／(Us-Ud)。

现有的电压传输是在数据中心的房间内，在每个服务器上进行交流转直流这项的，会产生大量的热能。需要排风扇进行散热，同时会影响到服务器工作的效率，热量越大，效率越低，产生的连锁反应会更多。更多的热能会用更多的排风扇散热，排风扇也会产生热量，所以每个数据中心房间需要功率更大的空调来进行降温，使整个电压传输过程中，能耗再加大。而本发明就解决了这个问题，本发明直流电源供电系统只需要对交流转直流的一次性电压转换装置集中散热，会使整个系统中的能耗大大降低。

本发明的适用于数据中心的直流电源供电方法包括如下步骤：

步骤一：分析数据中心中各服务器所需的直流电源的电压；

本发明供电方法在实施过程中，由于每一台服务器的型号存在差异，而不同型号的服务器中各个部件所需要的电压值也不完全一样。例如，数据中心中一共有两种型号的服务器，服务器I需要的直流电源的电压有直流电压1，直流电压2，直流电压3，直流电压4，和直流电压5，服务器II需要的直流电压有直流电压4，直流电压5和直流电压6；(以上直流电压1-6均代表不同直流电压值)，这两种型号的服务器所需的直流电压值的情况如图3所示。其中，直流电压4和直流电压5都是两者共有的电压，另外的直流电压1，直流电压2和直流电压3是服务器1需要的电压，直流电压6是服务器2需要的电压。所以，对于这两种型号的服务器来说，只需使电压调节模块输出直流电压1，直流电压2，直流电压3，直流电压4，直流电压5和直流电压6即可。

在电压调节模块把直流电源调节成服务器所需要的电压值以后，供给服务器使用时。因为该调节后的直流电压可以被服务器内部的部件直接使用，所以不需要经过传统服务器内部PSU交流-直流转换模块，也不需要经过传统服务器内部的直流-直流转接模块。可以把供给服务器使用的调节后的直流电压，直接和服务器主板上的直流电源插槽口相连。比如服务器内部部件需要的直流电压的插槽口如图4所示，接口中的电压代表该服务器需要的直流电压值。有3个12V的接口，4个5V的接口，4个3.3V的接口，3个1.8V的接口，4个1.2V的接口，3个0.9V的接口，2个接地，七种类型的直流电压。所以对于这个服务器而言，只需将电压调节模块调节后的这七种类型的电压分出相应的个数，通过转接口连到插槽口上即可。

传统一般采用很细的铜线做载体传输交流电，这类铜线的剖面图如图5所示。图5中，用很厚的塑料皮包裹着很细的铜线，这样做的原因除了绝缘的目的外，另一个原因就是屏蔽干扰。因为铜线上传输的是高压交流电，信号在不停的变化，很容易对外界干扰，所以用很厚的塑料皮包裹着铜线可以保护铜线上的信号干扰。在本发明直流电源供电系统中，由于交流电转直流电完成后，与直流电源总线连接的直流电源传输线上传输的是不同电压值的直流电源，杜绝了现有技术中交流电传输中的干扰。并且直径较窄的直流电源传输线的电阻值较高，所以本发明直流电源供电系统中利用很薄的塑料皮包裹着很粗的铜线(参见图6)，直径粗的铜线能够降低直流电源传输线上的电阻，同时可以进一步降低直流电源传输线上的热量产生。因为传输的是直流电，信号不容易对外界产生干扰，所以无需采用现有技术中塑料皮较厚的铜线。

实施例1

本实施例1中，电压转换模块设置在户外或户内，电压转换模块将市电220伏交流电转换成直流电源，通过直流电源总线供给数据中心内的服务器使用。

数据中心的服务器在峰值工作时会产生电压降，影响其中各集成电路的工作。比如，在3.3v供电的直流传输电线上总共耗10A的电流，假设3.3v供电的直流传输电线的电阻为0.1欧姆，那么在此电线上的产生的压降为1V，也就是说，当3.3v的直流传输到终端服务器上时，电压已经降为2.3v，这个值低于了服务器需要的最小直流电压值，意味着服务器内部的一些部件是不可以正常工作。所以为了防止这种情况发生，本发明通过在直流电源总线中的多条直流电源传输线上用多个直流电压稳压器，使传输的电压幅值不会因为在直流电源传输线上被消耗掉，如图7所示。在传输过程中对直流电源总线上的每根直流电源传输线都插入很多个直流电压稳压设备，以弥补电压传输过程中的电压损失。

本实施例1的优点在于使用的电压转换模块(例如，变压器)很少，后期即使想在数据中心内增加服务器，或者服务器房间，只需把直流电源总线引导到服务器上即可，后期利用性很高。缺点在于，需要一个超高功率的电压转换模块，以满足转换的直流电能够为所有的服务器正常供电，直流电源传输线需要使用超粗的铜线，同时为了使服务器正常工作需要使用很多的直流稳压器，成本超高。

实施例2

本实施例2为每个服务器房间内的每个服务器机柜配置一个电压转换模块，将市电220伏交流电转换成直流电源后分配至直流电源总线，直接供给每个服务器机柜内的各个服务器使用。具体如图8所示，在处于每个服务器机柜的下面地板下放置一个电压转换模块和电压调节模块，把输入的220v交流电转换且调节成该服务器机柜需要的直流电，比如电压转换模块和电压调节模块1产生的直流电供给服务器机柜1中的服务器使用，电压转换模块和电压调节模块2产生的直流电供给服务器机柜2中的服务器使用等等，转换过程中产生的热量可以经过水冷却或者油冷却处理。直流电源传输线采用超粗的铜线传输，这样做的目的不仅减小了直流电源传输线上的压降，同时因为服务器机柜的高度是一定的，即使采用超粗的铜线传输，也不会增加太多的成本。

本实施例2的优点在于，在直流电源传输线上不需要使用稳压器，安装方便易于实现，成本低。但是因为需要对每个服务器机柜配置电压转换模块和电压调节模块，所以使用电压转换模块的数量也随着服务器机柜的增多而增多。

实施例3

如果服务器房间里有很多服务器机柜，在实施例2的基础上提出了实施例3。如图9所示，用户可以根据自己的需要，对多个服务器机柜配置一个电压转换模块和一个电压调节模块，比如把电压转换模块和电压调节模块1产生的直流电供给服务器机柜1，服务器机柜2，服务器机柜3，等等，转换过程中产生的热量经过油冷却或水冷却处理，直流电源传输线仍然采用超粗的铜线传输。相对于实施例2而言，实施例3可以大大的减少电压转换模块的数量。

实施例4

有些数据中心可能需要用到很多服务器，服务器分别摆放在多个服务器房间，本实施例4中能够向上述情况的数据中心供电。如图10所示，在每个服务器房间的旁边，紧挨服务器房间的地方放置一个大功率的电压转换模块和电压调节模块，把输入的交流电转换成该服务器房间所需要的直流电压。比如在服务器房间1的旁边放置一个大功率的电压转换模块和电压调节模块1，把产生的直流电供给服务器房间1使用，在服务器房间2的旁边放置一个大功率的电压转换模块和电压调节模块2，把产生的直流电供给服务器房间2使用等等。转换过程中产生的热量可以经过水冷却或者油冷却处理。转换后的直流电做成一组总线用粗的铜线传输到服务器房间中，供给服务器机柜中的服务器使用，在铜线传输的过程中可以用至少一个直流稳压器，进一步确保传输的直流电压幅值不被在直流电源传输线上消耗掉。本实施例4的优点在于使用的电压转换模块和稳压器的数量都很少。

表1四种实施例的对比情况

以上显示的是上述四种实施例的成本及优缺点对比，其中超粗铜线1最粗，超粗铜线4其次，超粗铜线3更细，超粗铜线2可以最细。如表1所示，实施例1因为交流转直流是一次性做完的，所以电压转换模块只需要一个，而且这个电压转换模块的输出要求是超高功率的，才能使转换后的直流电供给所有的服务器正常使用。在传输直流电的过程中，采用的是超粗的铜线，因为传输的距离比较远，为了降低直流电源传输线上的压降，所以在直流电源传输线上会加入很多稳压器。由此可见，实施例1在实施方面难于实现，而且成本超高。实施例2需要对每个服务器机柜配置电压转换模块，所以使用的电压转换模块数量会随着服务器机柜的数量增多而增多，转换后的直流电在传输时，使用的是超粗的铜线传输，目的是为了降低直流电源传输线上的压降。因为服务器的高度是一定的，采用的又是超粗铜线传输，所以在传输的过程中不需要使用稳压器，该实施例2不仅成本低，而且可实现性很容易。实施例3的电压转换模块使用数量也是取决于服务器机柜的数量，随着机柜的数量增多而增多，但是电压转换模块的总数量要少于服务器机柜的总数量，同时采用超粗的铜线传输直流电，因为传输的距离问题，在传输的过程中可能会用到少数的稳压器，降低直流电源传输线上的压降，实施例3在可实现性上虽然很容易，但是成本一般。实施例4中电压转换模块的使用数量取决于服务器房间的个数，因为是对房间里所有的服务器供电，所以电压转换模块的功率需要大一些的。传输直流电采用的也是超粗的铜线，在传输直流电的过程中，需要在直流电源传输线上加一些稳压器，确保传输到服务器上的直流电压驱动力，不会在直流电源传输线上产生太大的压降，实施例4的可实现性比实施例1容易，而且成本也比方案一低，但是还是比实施例2和实施例3的成本高。

在本发明中将调节后的直流电压通过转接口连到插槽口上供服务器使用，这样做的好处在于不需要经过传统服务器内部的交流-直流转换模块和直流-直流转接模块。但是，对于不同种类的服务器来说，需要做出不同的转接口，才能使调节后的直流电供给服务器使用，使用时比较麻烦。

为解决上述问题，本发明设计了一种服务器直流电压接入接口方式，如图11所示。按照服务器需要的直流电压在服务器的机箱表面设计多个插孔接口，比如服务器机箱1需要的直流电压有直流电压1，直流电压2，直流电压3，直流电压4，直流电压5和直流电压6的六种类型的直流电压，把这六种类型的直流电压在服务器机箱I的表面做成六个输入插孔接口。服务器机箱II需要的直流电压有直流电压3，直流电压4，直流电压5，直流电压6，直流电压7，直流电压8的六种类型的直流电压，把这六种类型的直流电压在服务器机箱2的表面做成六个输入插孔接口。服务器机箱3需要的直流电压有直流电压3，直流电压4，直流电压5，直流电压6的四种类型的直流电压，把这四种类型的直流电压在服务器机箱3的表面做成四个输入插孔接口。从直流电源总线上引出这几种类型的直流电压，分别直接插在服务器机箱1，服务器机箱2，服务器机箱3的接口上就可以为服务器供电了。这样做的好处在于，即使数据中心内的各个服务器对于直流电压的需求不一样，只要从直流电源总线上抽头找出各个服务器自身需要的直流电压，并插入服务器表面的直流电压接入插孔即可，非常方便。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims

1.一种适用于数据中心的直流电源供电系统，其特征在于，包括：

数据中心，其内部包括多个服务器；

2.如权利要求1所述的适用于数据中心的直流电源供电系统，其特征在于，进一步包括至少一个电压调节模块，其设置在所述电压转换模块与所述直流电源总线之间，用于调节所述直流电源的电压。

3.如权利要求1所述的适用于数据中心的直流电源供电系统，其特征在于，所述数据中心中需求相同直流电压的服务器并联设置在同一根所述直流电源总线上。

4.如权利要求1所述的适用于数据中心的直流电源供电系统，其特征在于，所述直流电源传输线的数量与所述服务器所需的直流电压的种类数相同。

5.如权利要求4所述的适用于数据中心的直流电源供电系统，其特征在于，所述电压转换模块设置有散热装置，用以控制所述电压转换模块的工作温度。

6.如权利要求1所述的适用于数据中心的直流电源供电系统，其特征在于，所述直流电源传输线上进一步设置有直流电压稳压器，用于减小所述直流电源传输线上的直流电源的电压降。

7.如权利要求1所述的适用于数据中心的直流电源供电系统，其特征在于，所述直流电源传输线的横截面积如下式所示：

S≥I*p*L／(Us-Ud)；

8.一种如权利要求1所述的适用于数据中心的直流电源供电系统的供电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：分析数据中心中各服务器所需的直流电源的电压；

9.如权利要求6所述的适用于数据中心的直流电源供电方法，其特征在于，在所述电压转换模块上设置制冷装置，通过所述制冷装置对所述电压转换模块进行散热处理，控制所述电压转换模块的工作温度。