CN104345854B - 电源供应系统 - Google Patents

Abstract

本发明的各实施方式总体上涉及电源供应系统。具体地，公开了一种信息处理系统的电源供应系统，该信息处理系统电耦合至交流电源且包括至少一个计算机单元。该电源供应系统包括：至少一个交流电源供应单元，分别电耦合至该至少一个计算机单元及该交流电源；至少一个直流电源供应单元，电耦合至该至少一个计算机单元；以及备用电源单元，电耦合该至少一个直流电源供应单元。响应于该至少一个交流电源供应单元未供电，该至少一个直流电源供应单元向该至少一个计算机单元供电。还公开了具有该电源供应系统的数据中心。

Description

电源供应系统

技术领域

本发明总体上涉及数据处理系统领域，具体地涉及一种数据处理系统的电源供应。

背景技术

由于云端运算的快速发展，将大量的数据储存于数据中心成为主流趋势之一。数据中心为大型的集中运算设备，其建造成本相当昂贵，通常包括大量放置于机架中的计算机系统。通常，数据中心通过电源供应系统将公共电源的电压转换为数据中心需要的电压而进行供电。

图1描述一种已知数据中心100的配置，数据中心100可为一空间，其中容纳数据处理系统102，该数据处理系统102包含有一个或多个计算机单元104，例如为一个或多个服务器。该一个或多个计算机单元104分别电耦合至第一交流电源供应单元（AC PSU，AC PowerSupply Unit）116，且分别电耦合第二交流电源供应单元120。备用电源112（例如为不断电系统（UPS，Uninterruptible Power Supply）或电池）电耦合第一交流电源供应单元116及第二交流电源供应单元120。备用电源112电耦合于交流电源108，交流电源108经由公用电力网络获得电力。在图1中，第一交流电源供应单元116及第二交流电源供应单元120的负载配置大约相同（50%:50%），因此第一交流电源供应单元116及第二交流电源供应单元120的温度接近，各供应单元中组件的生命周期大致相同，进而各供应单元的寿命相近。所述交流电源供应单元116、120可将交流电压转化为多组直流电压，以供后续系统使用。通常，交流电源供应单元116、120会使用逆变器（Inverter）（未示于图中），逆变器的使用将造成交流电源供应单元116、120的能源效率下降，因此在图1的电源设计中，发明人需要加大备用电源112的电源容量（Power Capacity）。换言之，交流电源供应单元116、120的逆变器的大量应用，导致较高电源容量的备用电源112的使用，不但造成实施成本大幅增加，更造成能源效率的下降。

因为环境保护的考虑，电力成本的上升，电力需求的增加，能源效率成为数据中心管理重要的考虑点，因此改善数据中心能源效率成为技术的首要目标之一。同时系统的实施成本的降低，更是产业的重要考虑。

发明内容

本发明一方面提供一种信息处理系统的电源供应系统及一种包括该信息处理系统的数据中心，可提供实时且有效的备用负载输出，以降低其实施成本，并改善其能源效率。

根据本发明一个实施例的一种信息处理系统的电源供应系统，该信息处理系统电耦合至交流电源且包括至少一个计算机单元。该电源供应系统包括：至少一个交流电源供应单元，分别电耦合至该至少一个计算机单元及该交流电源；至少一个直流电源供应单元，分别电耦合至该至少一个计算机单元；及备用电源单元，电耦合该至少一个直流电源供应单元，其中响应于该至少一个交流电源供应单元未供电，该至少一个直流电源供应单元向该至少一个计算机单元供电。

根据本发明一个实施例，响应于该至少一个交流电源供应单元正常供电，该至少一个直流电源供应单元处于待机模式，在该待机模式中，该至少一个交流电源供应单元的组件处于待命状态且其瓦数输出实质上为零。

根据本发明一个实施例，若该交流电源供应单元的输入端或输出端未断电，该直流电源供应单元的负载输出为零，若该交流电源供应单元的该输入端或该输出端之一断电，该直流电源供应单元立即提供负载输出。

根据本发明一个实施例，该至少一个计算机单元包括系统管理模块，该至少一个交流电源供应单元包括交流电源供应单元微控制器，且该直流电源供应单元包括直流电源供应单元微控制器，该系统管理模块分别通过通信总线电耦合该交流电源供应单元微控制器及该直流电源供应单元微控制器，以管理及控制该至少一个交流电源供应单元及该直流电源供应单元的其中之一对该至少一个计算机单元供电。

根据本发明一个实施例，该至少一个交流电源供应单元包括第一切换模块，该至少一个直流电源供应单元包括第二切换模块及直流电源供应单元输出控制模块，该第一切换模块的输出电耦合该第二切换模块的输入，该第二切换模块的输出电耦合该直流电源供应单元输出控制模块的输入；响应于该至少一个交流电源供应单元未供电，第一切换模块输出使能信号以启用该第二切换模块，进而启用该直流电源供应单元输出控制模块以控制该至少一个直流电源供应单元向该至少一个计算机单元供电。

根据本发明一个实施例，该第一切换模块包括第一OR门，且该至少一个交流电源供应单元更包括交流电源供应单元输入断电侦测模块，及交流电源供应单元输出断电侦测模块，该交流电源供应单元输入断电侦测模块的故障引脚及该交流电源供应单元输出断电侦测模块的故障引脚分别电耦合该第一OR门的输入。

根据本发明一个实施例，该第二切换模块包括第二OR门，且该第一OR门的输出及该直流电源供应单元微控制器的输出分别电耦合该第二OR门的输入，该第二OR门的输出电耦合该直流电源供应单元输出控制模块的输入。

根据本发明一个实施例，该交流电源供应单元输入断电侦测模块及该交流电源供应单元输出断电侦测模块分别侦测该交流电源供应单元的输入端及输出端是否断电，若该交流电源供应单元的该输入端或该输出端断电，该第一OR门的输出使能信号以启用该第二OR门，进而该第二OR门的输出启用该直流电源供应单元输出控制模块以控制该直流电源供应单元供电给该至少一个计算机单元。

根据本发明另一实施例的一种数据中心，包括信息处理系统；以及对该信息处理系统供电的如上述的电源供应系统。

本说明书中所提及的特色、优点、或类似表达方式并不表示，可以本发明实现的所有特色及优点应在本发明的任何单一的具体实施例内。而是应明白，有关特色及优点的表达方式是指结合具体实施例所述的特定特色、优点、或特性系包括在本发明的至少一个具体实施例内。因此，本说明书中对于特色及优点、及类似表达方式的论述与相同具体实施例有关，但亦非必要。

参考以下说明及随附权利要求书或利用如下文所提的本发明的实施方式，即可更加明了本发明的这些特色及优点。

附图说明

为了立即了解本发明的优点，请参考如附图所示的特定具体实施例，详细说明上文简短叙述的本发明。在了解这些图示仅描绘本发明的典型具体实施例并因此不将其视为限制本发明范畴的情况下，参考附图以额外的明确性及细节来说明本发明，图式中：

图1描述一种已知数据中心的电源供应系统配置。

图2为根据本发明优选实施例，说明一种数据中心的电源供应系统的功能模块图。

图3为根据本发明优选实施例，说明图2实施例的结构示意图。

具体实施方式

本说明书中的具体实施例或类似表达方式的引用是指结合该具体实施例所述的特定特色、结构、或特性系包括在本发明的至少一个具体实施例中。因此，在本说明书中，在一个具体实施例中及类似表达方式的用语的出现未必指相同的具体实施例。

下文以图2开始参照附图说明根据本发明实施例，其示出本发明优选实施例的一种信息处理系统202的电源供应系统的框图。信息处理系统202包含有一个或多个计算机单元204。信息处理系统202的电源供应系统包括：至少一个交流电源供应单元216，分别电耦合至该至少一个计算机单元204及交流电源208；至少一个直流电源供应单元（DC PSU，DCPower Supply Unit）220，分别电耦合至该至少一个计算机单元204；及备用电源单元212，电耦合该至少一个直流电源供应单元220。在本发明一个优选实施例中，回应于该至少一个交流电源供应单元216可正常供电，该至少一个交流电源供应单元216向该至少一个计算机单元204供电。响应于该至少一个交流电源供应单元216无法供电，该至少一个直流电源供应单元220向该至少一个计算机单元204供电。在该至少一个交流电源供应单元216向该至少一个计算机单元204供电时，该至少一个直流电源供应单元处于待机模式（StandbyMode），其瓦数（Wattage）输出实质上为零，随后将对相关细节有详细的描述。

在本发明的一个优选实施例中，计算机单元204可例如为服务器单元、数据处理器单元、交换机单元、路由器单元、网络设备单元、或其它计算机组件单元，本发明并不欲加以限制。举例而言，服务器单元的基本架构与组件可参见一般的个人计算机或服务器，例如IBM公司的System X、Blade Center或eServer服务器，与本发明无关的细节将省略不予描述。

在本发明的一个优选实施例中，一个或多个计算机单元204系分别电耦合至一个或多个交流电源供应单元216，且该一个或多个计算机单元204分别电耦合一个或多个直流电源供应单元220。一个或多个交流电源供应单元216电耦合于交流电源208，交流电源208可例如经由公用电力网络获得电力。一个或多个直流电源供应单元220电耦合于备用电源单元212，备用电源212可例如但不限于不断电系统、或电池等等。同样地，交流电源供应单元216可将交流电压转化为多组直流电压。另一方面，直流电源供应单元220可将直流电压转化为多组直流电压以供后续系统使用。

如前述，该至少一个直流电源供应单元220具有待机模式，在该至少一个交流电源供应单元216正常供电时，而该至少一个直流电源供应单元220维持在待机模式，其瓦数输出实质上为零，因此图2所示的电源供应系统可维持于极低的净耗电，其能源效率相对优选。在该至少一个交流电源供应单元216无法供电时，而该至少一个直流电源供应单元220可立即供电，提供备用的电源。交流电源供应单元216及直流电源供应单元220的进一步细节及组成随后将会有详尽的描述及说明。

请参阅图3，示出本发明图2实施例中至少一个计算机单元204、至少一个交流电源供应单元216、至少一个直流电源供应单元220的结构示意图。

计算机单元204包括系统管理模块304，交流电源供应单元216包括交流电源供应单元微控制器（Microprocessor Control Unit）308，且直流电源供应单元220包括直流电源供应单元微控制器364。系统管理模块304可通过通信总线306分别电耦合至交流电源供应单元微控制器308及直流电源供应单元微控制器364。

系统管理模块304通常为一个监控系统操作的微控制器模块，可包含微控制器与内存（未显示），在本发明的一个优选实施例中，可为计算机单元204的主机板上的集成管理模块（IMM，Integrate Management Module），或是EC（Embedded controller），ME（Management Engine）等等，或者，系统管理模块304可为完成特定功能的计算机程序段，亦可实施为独立的管理模块，本发明并不欲加以限定。系统管理模块304可参考Renesas公司的H8S/2117。

集成管理模块（IMM）的固件遵循智能平台管理接口（Intelligent PlatformManagement Interface,IPMI）标准以进行系统监控。事实上，IMM通过IPMI2.0合规性及Serial over LAN（SOL）提供系统管理功能，为支持跨产品组合的通用管理接口，并提供服务器监测、警示和远程控制，达成完整的机上系统管理支持。因为智能平台管理接口标准对于熟悉相关产业者为一般的知识，在此不详细叙述。关于IPMI规范的参考资料，如IPMI2.0，可在以下网站上取得：http://www.intel.com/design/servers/ipmi/。

请再参阅图3，经由系统管理模块304（例如IMM）、交流电源供应单元微控制器308、直流电源供应单元微控制器364间的通信，计算机单元204的系统管理模块304可设定交流电源供应单元216为主电源供应，而直流电源供应单元220为备用电源供应。因此在交流电源供应单元216可正常供电时，直接进行供电，而在交流电源供应单元216断电时，直流电源供应单元220进行供电。

在本发明的一个优选实施例中，在交流电源供应单元216供电正常的情况下，系统管理模块304经由写入指令（write command）通过通信总线306设定交流电源供应单元微控制器308为状态“1”且直流电源供应单元微控制器364为状态“0”（交流电源供应单元216供应电力）。而在交流电源供应单元216供电不正常的情况下，系统管理模块304通过通信总线306设定交流电源供应单元微控制器308为状态“0”且直流电源供应单元微控制器364为状态“1”（直流电源供应单元220供应电力）。在固件设定主电源供应及备用电源供应后，电源供应系统的硬件可进行后续的动作。

除了交流电源供应单元微控制器308，交流电源供应单元216还包括交流电源供应单元输入断电侦测模块316、交流电源供应单元输出断电侦测模块312、第一切换（Switch）模块320（例如但不限于第一OR门）。在本发明的一个优选实施例中，交流电源供应单元输入断电侦测模块316可为功率因子校正（Power Factor Correction,PFC）控制器等等，本发明并不欲加以限定。

以功率因子校正控制器为例，假设交流电源供应单元216的输入功率频率为60赫兹，若功率因子校正控制器侦测到至少1/4交流周期掉电，可判断交流电源供应单元216的输入断电，功率因子校正控制器会侦测交流故障信号而由功率因子校正控制器的交流故障引脚324输出。一般而言，功率因子校正控制器系用于校正电压和电流之间的相位延迟，相位延迟导因于电感/电容的影响，功率因子校正控制器会试图加以修复以使电压和电流之间的相位匹配，所以在交流电源断电时，功率因子校正控制器可检测电压和电流的正弦波形的中断。交流电源供应单元输入断电侦测模块316可参考Texas Instruments公司的UCD3020。

再者，在本发明的一个优选实施例中，交流电源供应单元输出断电侦测模块312可为脉宽调变（Pulse Width Modulation，PWM）控制器等等，本发明并不欲加以限定。

脉宽调变控制器通常可具有Vsense引脚和Isense引脚。一旦交流电源供应单元216的输出电压下降至低于阈值（threshold），脉宽调变控制器会产生故障信号而由脉宽调变控制器的直流故障引脚328输出。例如，以脉宽调变控制器为例，假设直流输出下降至小于10%，可判断交流电源供应单元216的输出断电。交流电源供应单元输出断电侦测模块312可参考Microchip公司的DSPIC30F。

简言之，交流电源供应单元输入断电侦测模块316可侦测交流电源供应单元216的输入端的断电，并将断电侦测的信号经由交流故障引脚324传送至第一OR门320。交流电源供应单元输出断电侦测模块312可侦测交流电源供应单元216的输出端的断电，并将断电侦测的信号经由直流故障引脚328传送至第一OR门320。

除了直流电源供应单元微控制器364，直流电源供应单元220还包括第二切换模块368（例如但不限于第二OR门）、直流电源供应单元输出控制模块372。在本发明的一个优选实施例中，直流电源供应单元输出控制模块372可为脉宽调变控制器等等，本发明并不欲加以限定。脉宽调变控制器系用于控制直流电源供应单元220的输出为特定直流输出或零输出，例如经由改变工作周期（duty cycle）而达成。举例而言，可设定脉宽调变控制器设定的工作周期为0％以使其输出为零。直流电源供应单元输出控制模块372可参考Microchip公司的DSPIC30F。

请再参阅图3，原先在交流电源供应单元216供电正常情况下，交流电源供应单元微控制器308的输出被设定为1且直流电源供应单元微控制器364的输出被设定为0。然在侦测到交流电源供应单元216的输入端或输出端有断电情形时，经由交流电源供应单元216和直流电源供应单元220的路由连接的使能引脚376，第一OR门320的输出信号（1）为第二OR门368的输入信号之一。直流电源供应单元微控制器364的输出为0，故第二OR门368的输出信号为1。换言之，只要交流电源供应单元216的输入端或输出端有断电情形时，可使第二OR门368的输出信号为1。

通过直流电源供应单元220的使能引脚380，第二OR门368的输出信号（1）启用直流电源供应单元输出控制模块372，进而直流电源供应单元输出控制模块372控制直流电源供应单元216以提供直流电源给计算机单元204（参见图2）。换言之，此时直流电源供应单元216达成备用电源的功效。

另一方面，在交流电源供应单元216的输入电压及输出电压均无断电的情形时，第一OR门320的输出信号为0。因为直流电源供应单元微控制器364的输出信号为0，故第二OR门368的输出信号为0，通过直流使能引脚380输出，并不会改变直流电源供应单元输出控制模块372的状态。总之，交流电源供应单元216的输入及输出的任一断电情形/交流电源供应单元216的输入及输出正常供电可使使能引脚376启用/禁用，进而控制直流电源供应单元220供电/不供电。

经由上述的配置，通过启用/禁用直流使能引脚380，可使直流电源供应单元输出控制模块372控制有/没有负载输出。在交流电源供应单元216正常供电时，控制直流电源供应单元220的负载输出为零，但直流电源供应单元220内的各组件均为待命（Active）中，因此一旦交流电源供应单元216失效，直流电源供应单元220可立即提供电源供应系统的备用负载输出。

综上所述，在交流电源供应单元216供电正常时，直流电源供应单元220处于待机模式且其负载输出为零，在交流电源供应单元216供电不正常时，直流电源供应单元220可立即提供输出，不但提供实时且有效的备用负载输出，其能源效率大为改善。另一方面，交流电源供应单元的减少使用及较低电源容量的备用电源应用，大幅降低其实施成本。

值得说明的是，图2至图3的实施例通过信息处理系统202的电源供应系统加以说明，但本领域技术人员应可轻易地推及更多种的情况及环境，例如不限于单一信息处理系统，而为复数信息处理、数据中心等等，但本发明并不欲加以限定。数据中心可为建筑物或空间以容纳大量信息组件，其配置对于熟悉相关产业者为一般的知识，在此不详细叙述。

在不脱离本发明精神或必要特性的情况下，可以其它特定形式来体现本发明。应将所述具体实施例各方面仅视为解说性而非限制性。因此，本发明的范畴如随附申请专利范围所示而非如前述说明所示。所有落在申请专利范围的等效意义及范围内的变更应视为落在申请专利范围的范畴内。

Claims (9)

1.一种信息处理系统的电源供应系统，该信息处理系统电耦合至交流电源且包括至少一个计算机单元，该电源供应系统包括：

至少一个交流电源供应单元，分别电耦合至该至少一个计算机单元及该交流电源；

至少一个直流电源供应单元，分别电耦合至该至少一个计算机单元；以及

备用电源单元，电耦合该至少一个直流电源供应单元，其中

响应于该至少一个交流电源供应单元未供电，该至少一个直流电源供应单元向该至少一个计算机单元供电；

其中该至少一个计算机单元包括系统管理模块，该至少一个交流电源供应单元包括交流电源供应单元微控制器，且该直流电源供应单元包括直流电源供应单元微控制器，该系统管理模块分别通过通信总线电耦合该交流电源供应单元微控制器及该直流电源供应单元微控制器，以管理及控制该至少一个交流电源供应单元及该直流电源供应单元的其中之一对该至少一个计算机单元供电；

其中该至少一个交流电源供应单元包括第一切换模块，该至少一个直流电源供应单元包括第二切换模块及直流电源供应单元输出控制模块，该第一切换模块的输出电耦合该第二切换模块的输入，该第二切换模块的输出电耦合该直流电源供应单元输出控制模块的输入；响应于该至少一个交流电源供应单元未供电，第一切换模块输出使能信号以启用该第二切换模块，进而启用该直流电源供应单元输出控制模块以控制该至少一个直流电源供应单元向该至少一个计算机单元供电；

其中该第一切换模块包括第一OR门，且该至少一个交流电源供应单元更包括交流电源供应单元输入断电侦测模块，及交流电源供应单元输出断电侦测模块，该交流电源供应单元输入断电侦测模块的故障引脚及所述交流电源供应单元输出断电侦测模块故障引脚分别电耦合该第一OR门的输入。

2.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中响应于该至少一个交流电源供应单元正常供电，该至少一个直流电源供应单元处于待机模式，在该待机模式中，该至少一个交流电源供应单元的组件处于待命状态且其瓦数输出实质上为零。

3.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中若该交流电源供应单元的输入端或输出端未断电，该直流电源供应单元的负载输出为零，若该交流电源供应单元的该输入端或该输出端之一断电，该直流电源供应单元立即提供负载输出。

4.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中该备用电源单元包括不断电系统、或电池。

5.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中该第二切换模块包括第二OR门，且所述第一OR门的输出及该直流电源供应单元微控制器的输出分别电耦合该第二OR门的输入，该第二OR门的输出电耦合该直流电源供应单元输出控制模块的输入。

6.根据权利要求5所述的电源供应系统，其中该交流电源供应单元输入断电侦测模块及该交流电源供应单元输出断电侦测模块分别侦测该交流电源供应单元的输入端及输出端是否断电，若该交流电源供应单元的该输入端或该输出端断电，所述第一OR门的输出使能信号以启用该第二OR门，进而该第二OR门的输出启用该直流电源供应单元输出控制模块以控制该直流电源供应单元供电给该至少一个计算机单元。

7.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中该系统管理模块包括集成管理模块IMM。

8.根据权利要求1所述的电源供应系统，其中该交流电源供应单元输入断电侦测模块包括功率因子校正控制器；或其中该交流电源供应单元输出断电侦测模块包括脉宽调变控制器；或其中该直流电源供应单元输出控制模块包括功率因子校正控制器。

9.一种数据中心，包括信息处理系统；以及对该信息处理系统供电的如权利要求1至8中任一项所述的电源供应系统。