TWI453576B - 機架式伺服器系統 - Google Patents

Description

機架式伺服器系統

本發明是關於一種伺服器系統，尤其是關於一種具有軟啟動電路之機架式伺服器系統。

現有之機架伺服器(Rack Server)，一個機架上可能有數十台伺服器，採用類似刀片伺服器(Blade Server)之集中供電方式，由機架統一供給經過降壓之直流電，如+12V直流電壓，而這些伺服器均無需單獨地自帶電源。

對於現有之機架伺服器，一般採用開關電源供電，但是，對於開關電源(尤其是大功率開關電源)，都存在一個固有之缺點：在加電瞬間，開關電源會產生一個較大之浪湧電流，這個浪湧電流可能達到電源靜態工作電流之10倍～100倍。由於開關電源易產生浪湧電流，比如，將所有之伺服器同時開機，將會使得開關電源產生強烈浪湧電流，這對電源和機房供電將造成壓力甚至損害。另一種常見之情形是在於，一部分伺服器正在運行，而另外一部分伺服器突然開機，這時產生之浪湧電流可能造成電源所提供之電壓降低，嚴重時會引起使用同一輸入電源之其他正常工作狀態之伺服器瞬間掉電。

有鑒於此，如何設計一種機架式伺服器系統，以便系統中之一個或多個伺服器正常開機時，消除所產生之浪湧電流，並保持開關電源之供電電壓穩定，是業內相關技術人員亟待解決之一項課題。

為瞭解決上述問題，本發明提出了一種機架式伺服器系統，包括一電源供應器和多個伺服器，電源供應器用於向多個伺服器提供正常運行所需之工作電壓，該伺服器系統還包括一軟啟動電路，耦接於電源供應器和多個伺服器之間，該軟啟動電路具有：一輸入端，耦接至來自電源供應器之一第一直流電壓；一恒流源電路，耦接於輸入端，提供一恒定電流；一偏置電路，耦接於恒流源電路，提供一緩慢上升且具有一預設上限值之偏置電壓；一第一開關元件，具有一第一電極、一第二電極及一第一控制電極，第一電極耦接於輸入端，第一控制電極耦接於偏置電路，藉由偏置電壓驅動第一開關元件，以便使第一開關元件從截止狀態向飽和導通狀態過渡；以及一輸出端，耦接於第一開關元件之第二電極，當第一開關元件飽和導通時輸出一第二直流電壓。

優選地，上述第一開關元件為P溝道場效應管。

優選地，上述恒流源電路包括：一第一二極體，其正極耦接於上述輸入端；一第二二極體，其正極耦接於第一二極體之負極；一第二開關元件，具有一第三電極、一第四電極以及一第二控制電極，第三電極耦接於第二二極體之負極，第四電極透過一第一電阻耦接於一接地端；以及一第三開關元件，具有一第五電極、一第六電極以及一第三控制電極，第三控制電極耦接第二控制電極，第五電極透過一第二電阻耦接於上述輸入端。

優選地，上述第二開關元件和上述第三開關元件為晶體三極管。

優選地，上述偏置電路包括：一第一電容，其一端耦接於上述第六電極，另一端耦接於上述接地端，藉由上述恒流源電路所提供之上述恒定電流進行充電，以提供上述偏置電壓；以及一穩壓二極體，其正極耦接於上述接地端，負極耦接於上述第六電極，當載入於上述第一電容兩端之偏置電壓達到上述預設上限值時，上述穩壓二極體導通，以使上述第一電容停止充電。

優選地，上述偏置電路還包括：一第四開關元件，具有一第七電極、一第八電極及一第四控制電極，第四控制電極與上述第一電容、上述穩壓二極體以及第六電極相耦接，第七電極透過一第三電阻耦接於上述接地端，第八電極與上述第一控制電極相耦接且透過一第四電阻耦接於上述輸入端。

優選地，上述軟啟動電路還包括：一第二電容，其一端耦接於上述第二電極，另一端耦接於上述接地端。

優選地，上述軟啟動電路還包括：一繼電器，具有一觸點部分與一線圈部分，觸點部分並聯連接於與上述第一開關元件之第一電極與第二電極之間，線圈部分與上述穩壓二極體之正極相耦接，當上述穩壓二極體導通後，繼電器閉合以使上述輸入端透過繼電器對上述輸出端供電。

優選地，上述觸點部分具有一第一靜觸點、一第二靜觸點、一第一動觸點及一第二動觸點，第一靜觸點與第二靜觸點分別耦接於第一開關元件之第一電極與第二電極，其中，第一動觸點對應於第一靜觸點，以及第二動觸點對應於第二靜觸點，當穩壓二極體導通後，第一動觸點與第一靜觸點相吸合，且第二動觸點與第二靜觸點相吸合，從而使輸入端透過繼電器對輸出端供電。

採用本發明之機架式伺服器系統，通過在電源供應器和多個伺服器之間設置一軟啟動電路，來控制伺服器端之電壓緩慢上升之時間，從而可減小浪湧電流對電源供應器所輸出之直流電壓之影響，進而保證系統運行之可靠性，降低維護成本。

以下將以附圖及詳細說明來清楚闡釋本發明之實施方式，為簡化附圖起見，一些已知慣用之結構與元件在附圖中將以簡單示意之方式繪示。

第1圖示出根據本發明之一個方面之機架式伺服器系統之結構框圖。參照第1圖，該機架式伺服器系統包括電源供應器200、多個伺服器(如伺服器1、伺服器2、伺服器3和伺服器4，但不以此為限)以及設置於該電源供應器200和多個伺服器之間之軟啟動電路100。

如前所述，在現有之伺服器系統中，電源供應器200與多個伺服器直接相連，以提供這些伺服器正常運作時之工作電壓。但是，當部分伺服器正在運行，而另外一部分伺服器突然開啟時，會在系統中產生較大之浪湧電流，由於電源供應器200與這些伺服器之間並無隔離，則較大之浪湧電流會對電源供應器200輸出之直流電壓產生影響。例如，伺服器正常運行時之電壓為12V，但浪湧電流之影響可能導致當前輸入到伺服器之電壓降低為10V或更低。有鑒於此，本發明設計了一種軟啟動電路，位於電源供應器和多個伺服器之間，在實現電壓緩慢上升之同時，還可減小或消除浪湧電流，提供伺服器系統之穩定性。

具體地，軟啟動電路100包括：一輸入端110、一恒流源電路120、一偏置電路130、一第一開關元件140及一輸出端150。其中，輸入端110耦接至來自電源供應器200之一第一直流電壓；恒流源電路120，耦接於輸入端110，用以提供一恒定電流；偏置電路130，耦接於恒流源電路120，用以提供一緩慢上升且具有一預設上限值之偏置電壓；第一開關元件140，耦接於輸入端110及偏置電路130，藉由偏置電壓驅動第一開關元件140，使其從截止狀態向飽和導通狀態過渡；輸出端130，耦接於第一開關元件140，當第一開關元件140飽和導通時輸出一第二直流電壓。

第2圖示出第1圖中之機架式伺服器系統之軟啟動電路之一優選實施例之電路示意圖。如第2圖所示，第一開關元件(Q4)140為P溝道場效應管，在本實施方式中，較佳地，為P溝道金屬-氧化物-半導體場效應管，且為大功率低內阻之場效應管，具有一第一電極(源極)、一第二電極(汲極)及一第一控制電極(閘極)，需說明之是，在本實施方式中，第一電極可以為源極，第二電極可以為汲極，但是，在其他一些實施例中，第一電極可以為汲極，第二電極可以為源極，並不以此為限。第一電極耦接於輸入端110，第二電極與輸出端150相耦接，第一控制電極耦接於偏置電路130。輸入端110，耦接至來自電源供應器200之一第一直流電壓V1。恒流源電路120，由第一二極體D1、第二二極體D2、第二開關元件Q1、第三開關元件Q2、電阻R1及電阻R2所構成，此恒流源電路120可以用來提供一恒定電流。其中，第一二極體D1，其正極耦接於輸入端110，第二二極體D2，其正極耦接於第一二極體D1之負極，在本實施方式中，直流電壓V1經過D1與D2後各降壓0.7V。第二開關元件Q1，具有一第三電極(發射極)、一第四電極(集電極)以及一第二控制電極(基極)，第三電極耦接於第二二極體D2之負極，第四電極透過第一電阻R1耦接於一接地端；第三開關元件Q2，具有一第五電極(發射極)、一第六電極(集電極)以及一第三控制電極(基極)，第三控制電極耦接第二控制電極，第五電極透過一第二電阻 R2耦接於輸入端110。需說明之是，第二開關元件Q1與第三開關元件Q2，可以是晶體三極管，在本實施方式中，較佳地，為PNP型晶體三極管，但不以此為限。偏置電路130包括：一第一電容C1、一穩壓二極體WD1、一第四開關元件Q3、一第三電阻R3及一第四電阻R4。第一電容C1，其一端耦接於第六電極，另一端耦接於接地端，第一電容C1，可以利用恒流源電路120所提供之恒定電流對其進行充電，進而在其兩端形成一定電壓，即利用第一電容C1提供前述之偏置電壓，此偏置電壓可用於驅動第一開關元件Q4；穩壓二極體WD1，其正極耦接於接地端，負極耦接於第六電極，且當第一電容C1之兩端之電壓達到預設上限值時，則穩壓二極體WD1導通，即反向擊穿，此時由於第一電容C1被穩壓二極體WD1短路，使得恒流源電路120停止對第一電容C1充電；第四開關元件Q3，具有一第七電極(發射極)、一第八電極(集電極)及一第四控制電極(基極)，第四控制電極與第一電容C1耦接於一第一節點並與第六電極耦接，第七電極透過第三電阻R3耦接於接地端，第八電極與第一控制電極耦接於一第二節點並透過第四電阻R4耦接於輸入端110，在本實施方式中，第四開關元件Q3可以是晶體三極管，較佳地，為NPN型晶體三極管，但不以此為限。在此軟啟動電路中，還可以包含一第二電容C2，第二電容C2用於濾除雜波信號，使得輸出端150輸出直流電壓。

由於恒流源電路120給第一電容C1充電而使第一電容C1兩端間形成一定電壓，其電壓值並緩慢上升，當第一電容C1兩端電壓上升至一定值時，此時第四開關元件Q3導通，Q3導通，則使得第三電阻R3上形成一定電流，從而使得第四電阻R4上產生電流，進而第一控制電極與第八電極相連接之第二節點處之電位將降低，從而使得第一開關元件Q4之第一控制電極與第一電極形成負偏置，而根據第一開關元件之特性，當負偏置達到一定程度，即第一控制電極與第八電極相連接之第二節點處之電位降低到一定值時，將使第一開關元件Q4開始導通，當第一電容C1兩端電壓繼續升高，升高到一定值時，穩壓二極體WD1導通，由於第一電容C1被穩壓二極體WD1短路，恒流源電路120則停止對第一電容C1充電，並且此時，第一開關元件Q4之第一控制電極與第一電極間之電壓將使得第一開關元件Q4飽和導通，從而使得輸出端150輸出一第二直流電壓V2。在本實施方式中，由於第一電容C1從剛開始充電到充電停止(第一開關元件Q4飽和導通)需要一定之時間，即，當輸入端110輸入第一直流電壓V1時，輸出端150將在一定時間後才輸出第二直流電壓V2，因此，此軟啟動電路具有一定之延時性，進而有效地避免了浪湧電流對伺服器系統之不利影響。

下面結合各元件之具體參數對本發明所提出之方案及其優越性進行說明，在本實施方式中，第一直流電壓V1為12.5V，第一二極體D1、第二二極體D2之正向壓降為0.7V，穩壓二極體之穩定電壓為5V，第一電容C1之電容值為22μF，第一電阻R1之阻值為30K，第二電阻R2之阻值為3K，第三電阻R3之阻值為20K，第四電阻R4之阻值為33K，第四開關元件Q3導通時第四控制電極(基極)與第七電極(發射極)之壓降為0.7V，第一開關元件Q4為P溝道金屬-氧化物-半導體場效應管，且為大功率低內阻之場效應管。由上可知，恒流源電路120給第一電容C1充電使第一電容C1兩端電壓Vc1逐漸升高，充電電流1=1.4V/R2=1.4V/(3K)，當充電一定時間後，第一電容C1兩端電壓Vc1為0.7V時，第四開關元件Q3開始導通，從而第三電阻R3上將形成電流，其大小為(Vc1-0.7)/R3，進而R4之壓降為(Vc1-0.7)R4/R3，因此第二節點處之電位為(Vin-(Vc1-0.7)R4/R3)，因此，第一開關元件Q4之第一控制電極與第一電極間之電壓為-(Vc1-0.7)R4/R3)，即當Vc1大於0.7V時，為一負壓，使得第一控制電極與第一電極間形成負偏壓。在本實施方式中，由於第一開關元件Q4為P溝道金屬-氧化物-半導體場效應管，且為大功率低內阻之場效應管，根據其特性，當負偏壓達到一定值時，將使第一開關元件Q4開始導通，當負偏壓達到又一值時，第一開關元件Q4將進入飽和導通，在本實施方式中，當Vc1升高為2V時，第一開關元件Q4開始導通，且當Vc1升高為5V時，第一開關元件Q4飽和導通，而為使Vc1達到5V，則對第一電容C1進行充電所需之時間T=(5V*C1)/I，其中，C1=22μF，I=1.4V/(3K)，由此可知T約為240毫秒，此時間遠遠大於浪湧電流一般所持續之時間。當第一開關元件Q4剛導通時，輸出端之輸出電壓V2逐漸上升，即提供給伺服器(如第1圖)之電壓將逐漸上升，當第一開關元件Q4飽和導通時，輸出端之輸出電壓V2較佳地為12V直流電壓，此時，負載端通過第一開關元件Q4這個低內阻與電源供應器200(如第1圖)相連接，並且在此時，電源供應器200已被安全啟動。

在本實施方式中，由於電源供應器200所提供之電壓V1，經過此軟啟動電路進行一定時延(浪湧電流之持續時間小於此時延)後，電源供應器200再通過輸出端150給伺服器(負載)提供電壓，藉此，可克服電源供應器200因產生浪湧電流而對其本身或伺服器(負載)所產生之影響。

需說明的是，上述軟啟動電路中之各元件參數，僅為示例性的，但並不以此為限。

參照第3圖，第3圖示出第1圖中之機架式伺服器系統之軟啟動電路之另一優選實施例之電路示意圖。第3圖所示與第2圖所示差別僅在於軟啟動電路還包括：一繼電器(未標示)，而其他部分相同，因此不再贅述。此繼電器用於保護第一開關元件Q4，詳述之，電源供應器200(如第1圖)為了給伺服器(如第1圖)提供所需電壓而可能造成流經第一開關元件Q4之電流過大，這樣可能會損壞第一開關元件Q4，因此，在本實施方式中，加入繼電器，可避免上述情形，具體參照如下敍述。

如第3圖所示，繼電器具有一線圈部分161與一觸點部分162，其中觸點部分162並聯連接於第一開關元件Q4之第一電極與第二電極間，線圈部分161與穩壓二極體WD1之正極相耦接，當穩壓二極體WD1導通後，繼電器閉合以使輸入端110透過繼電器對輸出端150供電。

如第3圖所示，觸點部分162具有一第一靜觸點、一第二靜觸點、一第一動觸點及一第二動觸點。第一靜觸點與第二靜觸點分別耦接於第一開關元件Q4之第一電極與第二電極，且，第一動觸點對應於第一靜觸點，以及第二動觸點對應於第二靜觸點，當穩壓二極體WD1導通後，第一動觸點與第一靜觸點相吸合以及第二動觸點與第二靜觸點相吸合以使繼電器閉合並使得輸入端110透過繼電器對輸出端150供電，即對伺服器提供所需電壓。另，當穩壓二極體WD1導通時，此時第一開關元件Q4處於飽和導通，其內阻已經非常小，從而使得輸出端150之輸出電壓V2已相對較高，即已符合伺服器所需電壓，並且因為延時已克服了電源供應器200因產生浪湧電流而對其本身或伺服器(負載)所產生之影響，而在此時繼電器閉合，並使得之前流經第一開關元件Q4之電流全部改道流經繼電器，從而使得輸出端150直接輸出相對較高直流電壓V2。並且，此時，第一開關元件Q4不再消耗功率，從而使得整體電源效率沒有因此而下降。

採用本發明之機架式伺服器系統，通過在電源供應器和多個伺服器之間設置一軟啟動電路，來控制伺服器端之電壓緩慢上升之時間，從而可減小浪湧電流對電源供應器所輸出之直流電壓之影響，進而保證系統運行之可靠性，降低維護成本。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．軟啟動電路

110．．．輸入端

120．．．恒流源電路

130．．．偏置電路

140．．．第一開關元件

150．．．輸出端

161．．．線圈部分

162．．．觸點部分

200．．．電源供應器

Q4．．．第一開關元件

Q1．．．第二開關元件

Q2．．．第三開關元件

Q3．．．第四開關元件

為讓本發明之上述和其他目之、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖示出根據本發明之一個方面之機架式伺服器系統之結構框圖；

第2圖示出第1圖中之機架式伺服器系統之軟啟動電路之一優選實施例之電路示意圖；以及

第3圖示出第1圖中之機架式伺服器系統之軟啟動電路之另一優選實施例之電路示意圖。

110．．．輸入端

120．．．恒流源電路

130．．．偏置電路

140．．．第一開關元件

150．．．輸出端

Q4．．．第一開關元件

Q1．．．第二開關元件

Q2．．．第三開關元件

Q3．．．第四開關元件

Claims (9)

1. 一種機架式伺服器系統，包括一電源供應器和多個伺服器，該電源供應器用於向該多個伺服器提供正常運行所需之工作電壓，該機架式伺服器系統還包括一軟啟動電路，耦接於該電源供應器和該多個伺服器之間，具有：一輸入端，耦接至來自該電源供應器之一第一直流電壓；一恒流源電路，耦接於該輸入端，提供一恒定電流；一偏置電路，耦接於該恒流源電路，提供一緩慢上升且具有一預設上限值之偏置電壓；一第一開關元件，具有一第一電極、一第二電極及一第一控制電極，該第一電極耦接於該輸入端，該第一控制電極耦接於該偏置電路，藉由該偏置電壓驅動該第一開關元件，以便使該第一開關元件從截止狀態向飽和導通狀態過渡；以及一輸出端，耦接於該第一開關元件之該第二電極，當該第一開關元件飽和導通時輸出一第二直流電壓。
2. 如請求項1所述之機架式伺服器系統，其中，該第一開關元件為P溝道場效應管。
3. 如請求項1所述之機架式伺服器系統，其中，該恒流源電路包括：一第一二極體，其正極耦接於該輸入端；一第二二極體，其正極耦接於該第一二極體之負極；一第二開關元件，具有一第三電極、一第四電極以及一第二控制電極，該第三電極耦接於該第二二極體之負極，該第四電極透過一第一電阻耦接於一接地端；以及一第三開關元件，具有一第五電極、一第六電極以及一第三控制電極，該第三控制電極耦接該第二控制電極，該第五電極透過一第二電阻耦接於該輸入端。
4. 如請求項3所述之機架式伺服器系統，其中，該第二開關元件和該第三開關元件為晶體三極管。
5. 如請求項3所述之機架式伺服器系統，其中，該偏置電路包括：一第一電容，其一端耦接於該第六電極，另一端耦接於該接地端，藉由該恒流源電路所提供之該恒定電流進行充電，以提供該偏置電壓；以及一穩壓二極體，其正極耦接於該接地端，負極耦接於該第六電極，當載入於該第一電容兩端之偏置電壓達到該預設上限值時，該穩壓二極體導通，以使該第一電容停止充電。
6. 如請求項5所述之機架式伺服器系統，其中，該偏置電路還包括：一第四開關元件，具有一第七電極、一第八電極及一第四控制電極，該第四控制電極與該第一電容、該穩壓二極體以及該第六電極相耦接，該第七電極透過一第三電阻耦接於該接地端，該第八電極與該第一控制電極相耦接且透過一第四電阻耦接於該輸入端。
7. 如請求項6所述之機架式伺服器系統，其中，該軟啟動電路還包括：一第二電容，其一端耦接於該第二電極，另一端耦接於該接地端。
8. 如請求項7所述之機架式伺服器系統，其中，該軟啟動電路還包括：一繼電器，具有一觸點部分與一線圈部分，該觸點部分並聯連接於與該第一開關元件之第一電極與第二電極之間，該線圈部分與該穩壓二極體之正極相耦接，當該穩壓二極體導通後，該繼電器閉合以使該輸入端透過該繼電器對該輸出端供電。
9. 如請求項8所述之機架式伺服器系統，其中，該觸點部分具有一第一靜觸點、一第二靜觸點、一第一動觸點及一第二動觸點，該第一靜觸點與該第二靜觸點分別耦接於該第一開關元件之該第一電極與該第二電極，其中，該第一動觸點對應於該第一靜觸點，以及該第二動觸點對應於該第二靜觸點，當該穩壓二極體導通後，該第一動觸點與該第一靜觸點相吸合，且該第二動觸點與該第二靜觸點相吸合，從而使該輸入端透過該繼電器對該輸出端供電。