TW201413434A - 電源供應系統 - Google Patents

Abstract

揭露一種資訊處理系統的電源供應系統，該資訊處理系統電耦接至一交流電源且包括至少一電腦單元。該電源供應系統包括：至少一交流電源供應單元，分別電耦接至該至少一電腦單元及該交流電源；至少一直流電源供應單元，分別電耦接至該至少一電腦單元；及一備用電源單元，電耦接該至少一直流電源供應單元。回應於該交流電源供應單元未供電，該至少一直流電源供應單元向該至少一電腦單元供電。也揭露具有該電源供應系統的一資料中心。

Description

電源供應系統

本發明大體而言係關於資料處理系統的領域，且特別是有關於一種資料處理系統的電源供應。

因應雲端運算的快速發展，將大量的資料儲存於資料中心成為主流趨勢之一。資料中心為大型的集中運算設備，其建造成本相當昂貴，通常包括大量放置於機架中的電腦系統。典型上，資料中心透過一電源供應系統將公共電源的電壓轉換為資料中心需要的電壓而進行供電。

第一圖描述一種習知資料中心100之配置，資料中心100可為一空間，其中容納一資料處理系統102，該資料處理系統102包含有一或多個電腦單元104，例如為一或多個伺服器。該一或多個電腦單元104分別電耦接至一第一交流電源供應單元(AC PSU，AC Power Supply Unit)116，且分別電耦接一第二交流電源供應單元120。一備用電源112(例如為不斷電系統(UPS，Uninterruptible Power Supply)或電池)電耦接第一交流電源供應單元116及第二交流電源供應單元120。備用電源112電耦接於交流電源108，交流電源108藉由公用電力網路獲得電力。在第一圖中，第一交流電源供應單元116及第二交流電源供應單元120之負載配置大約相同(50%：50%)，因此第一交流電源供應單元116及第二交流電源供應單元120的溫度接近，各供應單元中組件的生命週期大致相同，進而各供應單元的壽命相近。所述交流電源供應單元116，120可 將交流電壓轉化為多組直流電壓，以供提後續系統使用。典型上，交流電源供應單元116，120會使用逆變器(Inverter)(未示於圖中)，逆變器的使用將造成交流電源供應單元116，120的能源效率下降，因此在第一圖的電源設計中，吾人需要加大備用電源112的電源容量(Power Capacity)。換言之，交流電源供應單元116，120之逆變器的大量應用，導致較高電源容量之備用電源112的使用，不但造成實施成本大幅增加，更造成能源效率的下降。

因為環境保護的考量，電力成本的上升，電力需求的增加，能源效率成為資料中心管理重要的考量點，因此改善資料中心能源效率成為技術的首要目標之一。同時系統之實施成本的降低，更是產業的重要考量。

本發明一方面提供一種資訊處理系統的電源供應系統及一種包括該資訊處理系統之資料中心，可提供即時且有效的備用負載輸出，以降低其實施成本，並改善其能源效率。

根據本發明一實施例之一種資訊處理系統的電源供應系統，該資訊處理系統電耦接至一交流電源且包括至少一電腦單元。該電源供應系統包括：至少一交流電源供應單元，分別電耦接至該至少一電腦單元及該交流電源；至少一直流電源供應單元，分別電耦接至該至少一電腦單元；及一備用電源單元，電耦接該至少一直流電源供應單元，其中回應於該至少一交流電源供應單元未供電，該至少一直流電源供應單 元向該至少一電腦單元供電。

根據本發明一實施例，回應於該至少一交流電源供應單元正常供電，該至少一直流電源供應單元處於一待機模式，在該待機模式中，該至少一交流電源供應單元之組件處於一待命狀態且其瓦數輸出實質上為零。

根據本發明一實施例，若該交流電源供應單元之一輸入端或一輸出端未斷電，該直流電源供應單元的負載輸出為零，若該交流電源供應單元之該輸入端或該輸出端之一斷電，該直流電源供應單元立即提供負載輸出。

根據本發明一實施例，該至少一電腦單元包括一系統管理模組，該至少一交流電源供應單元包括一交流電源供應單元微控制器，且該直流電源供應單元包括一直流電源供應單元微控制器，該系統管理模組分別透過一通訊匯流排電耦接該交流電源供應單元微控制器及該直流電源供應單元微控制器，以管理及控制該至少一交流電源供應單元及該直流電源供應單元之其中之一對該至少一電腦單元供電。

根據本發明一實施例，該至少一交流電源供應單元包括一第一切換模組，該至少一直流電源供應單元包括一第二切換模組及一直流電源供應單元輸出控制模組，該第一切換模組的輸出電耦接該第二切換模組的輸入，該第二切換模組的輸出電耦接該直流電源供應單元輸出控制模組的輸入；回應於該至少一交流電源供應單元未供電，第一切換模組輸出一 致能信號以致能該第二切換模組，進而致能該直流電源供應單元輸出控制模組以控制該至少一直流電源供應單元向該至少一電腦單元供電。

根據本發明一實施例，該第一切換模組包括一第一OR閘，且該至少一交流電源供應單元更包括一交流電源供應單元輸入斷電偵測模組，及一交流電源供應單元輸出斷電偵測模組，該交流電源供應單元輸入斷電偵測模組之一故障引腳及該一交流電源供應單元輸出斷電偵測模組一故障引腳分別電耦接該第一OR閘的輸入。

根據本發明一實施例，該第二切換模組包括一第二OR閘，且該一第一OR閘的輸出及該直流電源供應單元微控制器的輸出分別電耦接該第二OR閘的輸入，該第二OR閘的輸出電耦接該直流電源供應單元輸出控制模組的輸入。

根據本發明一實施例，該交流電源供應單元輸入斷電偵測模組及該交流電源供應單元輸出斷電偵測模組分別偵測該交流電源供應單元之一輸入端及一輸出端是否斷電，若該交流電源供應單元之該輸入端或該輸出端斷電，該一第一OR閘的輸出一致能信號以致能該第二OR閘，進而該第二OR閘的一輸出致能該直流電源供應單元輸出控制模組以控制該直流電源供應單元供電給該至少一電腦單元。

根據本發明另一實施例之一種資料中心，包括一資訊處理系統；以及對該資訊處理系統供電之如上述之電源供應系 統。

本說明書中所提及的特色、優點、或類似表達方式並不表示，可以本發明實現的所有特色及優點應在本發明之任何單一的具體實施例內。而是應明白，有關特色及優點的表達方式是指結合具體實施例所述的特定特色、優點、或特性係包括在本發明的至少一具體實施例內。因此，本說明書中對於特色及優點、及類似表達方式的論述與相同具體實施例有關，但亦非必要。

參考以下說明及隨附申請專利範圍或利用如下文所提之本發明的實施方式，即可更加明瞭本發明的這些特色及優點。

本說明書中「一具體實施例」或類似表達方式的引用是指結合該具體實施例所述的特定特色、結構、或特性係包括在本發明的至少一具體實施例中。因此，在本說明書中，「在一具體實施例中」及類似表達方式之用語的出現未必指相同的具體實施例。

下文以第二圖開始參照附圖說明根據本發明實施例，其係揭示本案較佳實施例之一種資訊處理系統202之電源供應系統的方塊圖。資訊處理系統202包含有一或多個電腦單元204。資訊處理系統202的電源供應系統包括：至少一交流電源供應單元216，分別電耦接至該至少一電腦單元204及交流電源208；至少一直流電源供應單元(DC PSU，DC Power Supply Unit)220，分別電耦接至該至少一電腦單元204；及一備用電源單元212，電耦接該至少一直流電源供應單元220。在本發明一較佳實施例中，回應於該至少一交流電源供應單元216可正常供電，該至少一交流電源供應單元216向該至少一電腦單元204供電。回應於該至少一交流電源供應單元216無法供電，該至少一直流電源供應單元220向該至少一電腦單元204供電。在該至少一交流電源供應單元216向該至少一電腦單元204供電時，該至少一直流電源供應單元處於一待機模式(Standby Mode)，其瓦數(Wattage)輸出實質上為零，隨後將對相關細節有詳細的描述。

在本發明一較佳實施例中，電腦單元204可例如為伺服器單元、資料處理器單元、交換機單元、路由器單元、網路設備單元、或其他電腦組件單元，本發明並不欲加以限制。舉例而言，伺服器單元的基本架構與元件可參見一般的個人電腦或伺服器，例如IBM公司的System X、Blade Center或eServer伺服器，與本發明無關的細節將省略不予描述。

在本發明一較佳實施例中，一或多個電腦單元204係分別電耦接至一或多個交流電源供應單元216，且該一或多個電腦單元204分別電耦接一或多個直流電源供應單元220。一或多個交流電源供應單元216電耦接於交流電源208，交流電源208可例如藉由公用電力網路獲得電力。一或多個直流電源供應單元220電耦接於一備用電源單元212，備用電源212可例如但不限於不斷電系統、或電池等等。同樣地，交流電源供應單元216可將交流電壓轉化為多組直流電壓。另一方面， 直流電源供應單元220可將直流電壓轉化為多組直流電壓以供提後續系統使用。

如前述，該至少一直流電源供應單元220具有一待機模式，在該至少一交流電源供應單元216正常供電時，而該至少一直流電源供應單元220維持在待機模式，其瓦數輸出實質上為零，因此第二圖所示之電源供應系統可維持於極低的淨耗電，其能源效率相對較佳。在該至少一交流電源供應單元216無法供電時，而該至少一直流電源供應單元220可立即供電，提供備用之電源。交流電源供應單元216及直流電源供應單元220的進一步細節及組成隨後將會有詳盡的描述及說明。

請參閱第三圖，揭示本案第二圖實施例中至少一電腦單元204、至少一交流電源供應單元216、至少一直流電源供應單元220之結構示意圖。

電腦單元204包括一系統管理模組304，交流電源供應單元216包括一交流電源供應單元微控制器(Microprocessor Control Unit)308，且直流電源供應單元220包括一直流電源供應單元微控制器364。系統管理模組304可透過通訊匯流排306分別電耦接至交流電源供應單元微控制器308及直流電源供應單元微控制器364。

系統管理模組304典型上為一個監控系統操作的微控制器模組，可包含微控制器與記憶體(未顯示)，在本發明一較 佳實施例中，可為電腦單元204之主機板上之一整合管理模組(IMM，Integrate Management Module)，或是EC(Embedded controller)，ME(Management Engine)等等，或者，系統管理模組304可為完成一特定功能的電腦程式段，亦可實施為獨立的管理模組，本發明並不欲加以限定。系統管理模組304可參考Renesas公司的H8S/2117。

整合管理模組(IMM)的韌體遵循智慧平台管理介面(Intelligent Platform Management Interface,IPMI)標準以進行系統監控。事實上，IMM透過IPMI 2.0合規性及Serial over LAN(SOL)提供系統管理功能，為支援跨產品組合的通用管理介面，並提供伺服器監測、警示和遠端控制，達成完整的機上系統管理支援。因為智慧平台管理介面標準對於熟悉相關產業者為一般的知識，在此不詳細敘述。關於IPMI規範的參考資料，如IPMI 2.0，可在以下網站上取得：http：//www.intel.com/design/servers/ipmi/。

請再參閱第三圖，藉由系統管理模組304(例如IMM)、交流電源供應單元微控制器308、直流電源供應單元微控制器364間的通訊，電腦單元204之系統管理模組304可設定交流電源供應單元216為主電源供應，而直流電源供應單元220為備用電源供應。因此在交流電源供應單元216可正常供電時，直接進行供電，而在交流電源供應單元216斷電時，直流電源供應單元220進行供電。

在本發明一較佳實施例中，在交流電源供應單元216供 電正常之情況下，系統管理模組304藉由寫入指令(write command)透過通信匯流排306設定交流電源供應單元微控制器308為狀態”1”且直流電源供應單元微控制器364為狀態”0”(交流電源供應單元216供應電力)。而在交流電源供應單元216供電不正常的情況下，系統管理模組304透過通信匯流排306設定交流電源供應單元微控制器308為狀態”0”且直流電源供應單元微控制器364為狀態”1”(直流電源供應單元220供應電力)。在韌體設定主電源供應及備用電源供應後，電源供應系統的硬體可進行後續的動作。

除了交流電源供應單元微控制器308，交流電源供應單元216還包括交流電源供應單元輸入斷電偵測模組316、交流電源供應單元輸出斷電偵測模組312、第一切換(Switch)模組320(例如但不限於第一OR閘)。在本發明一較佳實施例中，交流電源供應單元輸入斷電偵測模組316可為一功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)控制器等等，本發明並不欲加以限定。

以功率因數校正控制器為例，假設交流電源供應單元216的輸入功率頻率為60赫茲，若功率因數校正控制器偵測到至少1/4交流周期掉電，可判斷交流電源供應單元216的輸入斷電，功率因數校正控制器會偵測一交流故障信號而由功率因數校正控制器之交流故障引腳324輸出。一般而言，功率因數校正控制器係用於校正電壓和電流之間的相位延遲，相位延遲導因於電感/電容的影響，功率因數校正控制器會試圖加以修復以使電壓和電流之間的相位匹配，所以在交流電源斷 電時，功率因數校正控制器可檢測電壓和電流之正弦波形的中斷。交流電源供應單元輸入斷電偵測模組316可參考Texas Instruments公司的UCD3020。

再者，在本發明一較佳實施例中，交流電源供應單元輸出斷電偵測模組312可為一脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器等等，本發明並不欲加以限定。

脈寬調變控制器典型上可具有Vsense引腳和Isense引腳。一旦交流電源供應單元216的輸出電壓下降至低於臨限值(threshold)，脈寬調變控制器會產生一故障信號而由脈寬調變控制器之直流故障引腳328輸出。例如，以脈寬調變控制器為例，假設直流輸出下降至小於10%，可判斷交流電源供應單元216的輸出斷電。交流電源供應單元輸出斷電偵測模組312可參考Microchip公司的DSPIC30F。

簡言之，交流電源供應單元輸入斷電偵測模組316可偵測交流電源供應單元216之輸入端的斷電，並將斷電偵測之信號藉由交流故障引腳324傳送至第一OR閘320。交流電源供應單元輸出斷電偵測模組312可偵測交流電源供應單元216之輸出端的斷電，並將斷電偵測之信號藉由直流故障引腳328傳送至第一OR閘320。

除了直流電源供應單元微控制器364，直流電源供應單元220還包括第二切換模組368(例如但不限於第二OR閘)、直流電源供應單元輸出控制模組372。在本發明一較佳實施例 中，直流電源供應單元輸出控制模組372可為一脈寬調變控制器等等，本發明並不欲加以限定。脈寬調變控制器係用於控制直流電源供應單元220的輸出為特定直流輸出或零輸出，例如藉由改變工作週期(duty cycle)而達成。舉例而言，可設定脈寬調變控制器設定的工作週期為0%以使其輸出為零。直流電源供應單元輸出控制模組372可參考Microchip公司的DSPIC30F。

請再參閱第三圖，原先在交流電源供應單元216供電正常情況下，交流電源供應單元微控制器308之輸出被設定為1且直流電源供應單元微控制器364之輸出被設定為0。然在偵測到交流電源供應單元216之輸入端或輸出端有斷電情形時，藉由交流電源供應單元216和直流電源供應單元220之路由連接的致能引腳376，第一OR閘320的輸出信號(1)為第二OR閘368的輸入信號之一。直流電源供應單元微控制器364之輸出為0，故第二OR閘368的輸出信號為1。換言之，只要交流電源供應單元216之輸入端或輸出端有斷電情形時，可使第二OR閘368的輸出信號為1。

透過直流電源供應單元220的致能引腳380，第二OR閘368的輸出信號(1)致能直流電源供應單元輸出控制模組372，進而直流電源供應單元輸出控制模組372控制直流電源供應單元216以提供直流電源給電腦單元204(參見第二圖)。換言之，此時直流電源供應單元216達成備用電源的功效。

另一方面，在交流電源供應單元216的輸入電壓及輸出 電壓均無斷電之情形時，第一OR閘320的輸出信號為0。因為直流電源供應單元微控制器364之輸出信號為0，故第二OR閘368的輸出信號為0，透過直流致能引腳380輸出，並不會改變直流電源供應單元輸出控制模組372的狀態。總之，交流電源供應單元216的輸入及輸出之任一斷電情形/交流電源供應單元216的輸入及輸出正常供電可使致能引腳376致能/禁能，進而控制直流電源供應單元220供電/不供電。

經由上述的配置，透過致能/禁能直流致能引腳380，可使直流電源供應單元輸出控制模組372控制有/沒有負載輸出。在交流電源供應單元216正常供電時，控制直流電源供應單元220的負載輸出為零，但直流電源供應單元220內的各組件均為待命(Active)中，因此一旦交流電源供應單元216失效，直流電源供應單元220可立即提供電源供應系統的備用負載輸出。

綜上述，在交流電源供應單元216供電正常時，直流電源供應單元220處於待機模式且其負載輸出為零，在交流電源供應單元216供電不正常時，直流電源供應單元220可立即提供輸出，不但提供即時且有效的備用負載輸出，其能源效率大為改善。另一方面，交流電源供應單元的減少使用及較低電源容量的備用電源應用，大幅降低其實施成本。

值得說明的是，第二圖至第三圖之實施例透過一資訊處理系統202之電源供應系統加以說明，但熟此技藝者應可輕易地推及更多種的情況及環境，例如不限於單一資訊處理系 統，而為複數資訊處理、資料中心等等，但本發明並不欲加以限定。資料中心可為一建築物或一空間以容納大量資訊組件，其配置對於熟悉相關產業者為一般的知識，在此不詳細敘述。

在不脫離本發明精神或必要特性的情況下，可以其他特定形式來體現本發明。應將所述具體實施例各方面僅視為解說性而非限制性。因此，本發明的範疇如隨附申請專利範圍所示而非如前述說明所示。所有落在申請專利範圍之等效意義及範圍內的變更應視為落在申請專利範圍的範疇內。

100‧‧‧資料中心

102‧‧‧資料處理系統

104‧‧‧電腦單元

108‧‧‧交流電源

112‧‧‧備用電源

116‧‧‧第一交流電源供應單元

120‧‧‧第二交流電源供應單元

202‧‧‧資訊處理系統

204‧‧‧電腦單元

208‧‧‧交流電源

212‧‧‧備用電源單元

216‧‧‧交流電源供應單元

220‧‧‧直流電源供應單元

304‧‧‧系統管理模組

306‧‧‧通訊匯流排

308‧‧‧交流電源供應單元微控制器

312‧‧‧交流電源供應單元輸出斷電偵測模組

316‧‧‧交流電源供應單元輸入斷電偵測模組

320‧‧‧第一切換模組

324‧‧‧交流故障引腳

328‧‧‧直流故障引腳

364‧‧‧直流電源供應單元微控制器

368‧‧‧第二切換模組

372‧‧‧直流電源供應單元輸出控制模組

376‧‧‧致能引腳

380‧‧‧直流致能引腳

為了立即瞭解本發明的優點，請參考如附圖所示的特定具體實施例，詳細說明上文簡短敘述的本發明。在瞭解這些圖示僅描繪本發明的典型具體實施例並因此不將其視為限制本發明範疇的情況下，參考附圖以額外的明確性及細節來說明本發明，圖式中：第一圖描述一種習知資料中心之電源供應系統配置。

第二圖為根據本發明一較佳實施例，說明一種資料中心之電源供應系統的功能模組圖。

第三圖為根據本發明一較佳實施例，說明第二圖實施例之結構示意圖。

202‧‧‧資訊處理系統

204‧‧‧電腦單元

208‧‧‧交流電源

212‧‧‧備用電源單元

216‧‧‧交流電源供應單元

220‧‧‧直流電源供應單元

Claims (12)

1. 一種資訊處理系統的電源供應系統，該資訊處理系統電耦接至一交流電源且包括至少一電腦單元，該電源供應系統包括：至少一交流電源供應單元，分別電耦接至該至少一電腦單元及該交流電源；至少一直流電源供應單元，分別電耦接至該至少一電腦單元；及一備用電源單元，電耦接該至少一直流電源供應單元，其中回應於該至少一交流電源供應單元未供電，該至少一直流電源供應單元向該至少一電腦單元供電。
2. 如請求項1之電源供應系統，其中回應於該至少一交流電源供應單元正常供電，該至少一直流電源供應單元處於一待機模式，在該待機模式中，該至少一交流電源供應單元之組件處於一待命狀態且其瓦數輸出實質上為零。
3. 如請求項1之電源供應系統，其中若該交流電源供應單元之一輸入端或一輸出端未斷電，該直流電源供應單元的負載輸出為零，若該交流電源供應單元之該輸入端或該輸出端之一斷電，該直流電源供應單元立即提供負載輸出。
4. 如請求項1之電源供應系統，其中該備用電源單元包括一不斷電系統、或一電池。
5. 如請求項1之電源供應系統，其中該至少一電腦單元包括一系統管理模組，該至少一交流電源供應單元包括一交流電源供應單元微控制器，且該直流電源供應單元包括一直流電源供應單元微控制器，該系統管理模組分別透過一通訊匯流排電耦接該交流電源供應單元微控制器及該直流電源供應單元微控制器，以管理及控制該至少一交流電源供應單元及該直流電源供應單元之其中之一對該至少一電腦單元供電。
6. 如請求項5之電源供應系統，其中該至少一交流電源供應單元包括一第一切換模組，該至少一直流電源供應單元包括一第二切換模組及一直流電源供應單元輸出控制模組，該第一切換模組的輸出電耦接該第二切換模組的輸入，該第二切換模組的輸出電耦接該直流電源供應單元輸出控制模組的輸入；回應於該至少一交流電源供應單元未供電，第一切換模組輸出一致能信號以致能該第二切換模組，進而致能該直流電源供應單元輸出控制模組以控制該至少一直流電源供應單元向該至少一電腦單元供電。
7. 如請求項6之電源供應系統，其中該第一切換模組包括一第一OR閘，且該至少一交流電源供應單元更包括一交流電源供應單元輸入斷電偵測模組，及一交流電源供應單元輸出斷電偵測模組，該交流電源供應單元輸入斷電偵測模組之一故障引腳及該一交流電源供應單元輸出斷電偵測模組一故障引腳分別電耦接該第一OR閘的輸入。
8. 如請求項7之電源供應系統，其中該第二切換模組包括 一第二OR閘，且該一第一OR閘的輸出及該直流電源供應單元微控制器的輸出分別電耦接該第二OR閘的輸入，該第二OR閘的輸出電耦接該直流電源供應單元輸出控制模組的輸入。
9. 如請求項8之電源供應系統，其中該交流電源供應單元輸入斷電偵測模組及該交流電源供應單元輸出斷電偵測模組分別偵測該交流電源供應單元之一輸入端及一輸出端是否斷電，若該交流電源供應單元之該輸入端或該輸出端斷電，該一第一OR閘的輸出一致能信號以致能該第二OR閘，進而該第二OR閘的一輸出致能該直流電源供應單元輸出控制模組以控制該直流電源供應單元供電給該至少一電腦單元。
10. 如請求項5之電源供應系統，其中該系統管理模組包括一整合管理模組(IMM)。
11. 如請求項7之電源供應系統，其中該交流電源供應單元輸入斷電偵測模組包括一功率因數校正控制器；或其中該交流電源供應單元輸出斷電偵測模組包括一脈寬調變控制器；或其中該直流電源供應單元輸出控制模組包括一功率因數校正控制器。
12. 一種資料中心，包括一資訊處理系統；以及對該資訊處理系統供電之如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之電源供應系統。