TWI471721B - 具有電源供應超載模式之電腦系統 - Google Patents

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Description

具有電源供應超載模式之電腦系統
本發明主要係關於一種電腦系統，特別是關於一種能在電源供應超載模式中控制消耗功率之電腦系統。
一般電腦系統，例如個人電腦或是高階伺服器，都需要電源供應裝置來運作。對於伺服器的電源供應裝置，可參考International Business Cooperation的產品IBM 60Y0332 675W HE Redundant Power Supply或是IBM 46M1057 675W Redundant Power Supply。
此外，習知技術中為了因應電源供應裝置有限的供應能力(capacity)，採取了一些控制元件消耗功率的作法，對此可參見Charles Lefurgy,Xiaorui Wang,and Malcolm Ware. 2008. Power capping: a prelude to power shifting. Cluster Computing 11,2(June 2008),183-195；或是Hewlett-Packard Development Company,L.P.於2011年1月所發佈編號為TC110107T之技術文件「HP Power Capping and HP Dynamic Power Capping for ProLiant servers」。
另外同屬申請人之美國專利申請公開號US Pub.2002/0171398與US Pub. 2009/0265564亦提出一些習知的控制元件消耗功率的作法。
本發明一方面在於提出一種新的電腦系統，其電源供應裝置之輸出功率具有最大標稱值(maximum label value)、高於最大標稱值之安全極限值、以及最大標稱值與安全極限值之間之超載區(over-subscription zone)。
在本文中，對於輸出功率，「最大標稱值」係指電源供應裝置能確保長時間穩定的運作，而不會對任何系統硬體元件產生損壞的情況下所能提供的最大功率。對於一般市售的電源供應裝置，其廠商通常都會在使用手冊中提供此最大標稱值，且一般來說，廠商對於輸出功率超過最大標稱值之運作所導致之損害，將視為產品(電源供應裝置)之不當使用，廠商一般來說不負有賠償責任。舉例來說，前述IBM 60Y0332 675W HE Redundant Power Supply或是IBM 46M1057 Redundant Power Supply之最大標稱值即為675W。另外，當電源供應裝置之輸出功率上升達到所設定之「安全極限值」，為避免硬體元件之損壞，電源供應裝置將強迫進入保護程序(例如進入定電流(Constant current)模式、重啟(Hiccup)模式、或關機(shutdown)模式)或是啟動其他電源供應裝置本身所具有的保護機制，一般來說，廠商亦會在使用手冊中提供此安全極限值。舉例來說，前述IBM 60Y0332 675W HE Redundant Power Supply或是IBM 46M1057 Redundant Power Supply之安全極限值約為其最大標稱值之120%至130%。惟「安全極限值」與「最大標稱值」間之比例，係隨各產品的設計與製造方式有所不同，本發明並不欲加以限制。
特別地，本發明實施例之電腦系統之電源供應裝置係具有一超載模式下，在此超載模式下，電源供應裝置可被允許觸及輸出功率之超載區，同時試圖降低電源消耗裝置之消耗功率，使得輸出功率儘速回復至最大標稱值以下。
相較之下，先前技術(例如US Pub. 2009/0265564)通常僅根據單一的最大標稱值(或是其他單一的上限值)來控制系統的消耗功率。此外，以先前技術之控制方式，消耗功率皆不被允許超過最大標稱值(或是其他單一的上限值)，即使是短時間的超過最大標稱值亦無法先前技術的控制方法被接受。
根據本發明一實施例，電腦系統包含一或多個電源消耗裝置、電源供應裝置、與電源管理控制器。電源供應裝置供應電源給電源消耗裝置，且電源供應裝置之輸出功率具有一最大標稱值、高於最大標稱值之安全極限值、以及最大標稱值與安全極限值之間之超載區。電源管理控制器連結電源供應裝置與電源消耗裝置，且用於控制電源消耗裝置之消耗功率。因應該輸出功率從該最大標稱值進入該超載區，電源管理控制器試圖降低電源消耗裝置之消耗功率。
此外，對應電源供應裝置之輸出功率，電源供應裝置之輸出電流與輸出電壓亦具有「最大標稱值」與「安全極限值」，因此本發明亦可將前述「超載區」之概念，應用於輸出電流與輸出電壓。
根據本發明另一實施例，電腦系統包含一或多個電源消耗裝置、電源供應裝置、與電源管理控制器。電源供應裝置供應電源給電源消耗裝置，且電源供應裝置之輸出電流具有最大標稱值、高於最大標稱值之安全極限值、以及最大標稱值與安全極限值之間之超載區。電源管理控制器連結電源供應裝置與電源消耗裝置，且用於控制電源消耗裝置之消耗功率。因應輸出電流從最大標稱值進入超載區，電源管理控制器試圖降低電源消耗裝置之消耗功率。
藉此，本發明實施例之電腦系統允許電源供應裝置在輸出電流之超載區中運作，而同時降低電源消耗裝置之消耗功率，使得輸出電流儘速回復至最大標稱值以下。
根據本發明又一實施例，電腦系統包含一或多個電源消耗裝置、電源供應裝置、與電源管理控制器。電源供應裝置供應電源給電源消耗裝置，且電源供應裝置之輸出電壓具有最大標稱值、高於最大標稱值之安全極限值、以及最大標稱值與安全極限值之間之超載區。電源管理控制器連結電源供應裝置與電源消耗裝置，且用於控制電源消耗裝置之消耗功率。因應輸出電壓從最大標稱值進入超載區，電源管理控制器試圖降低電源消耗裝置之消耗功率。
藉此，本發明實施例之電腦系統允許電源供應裝置在輸出電壓之超載區中運作，而同時降低電源消耗裝置之消耗功率，使得輸出電壓儘速回復至最大標稱值以下。
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、或特性係包含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。
圖1顯示一實施例中之電腦系統100之硬體架構。電腦系統100具有一或多個電源消耗裝置102，一或多個電源供應裝置104，以及電源管理控制器106。
電源消耗裝置102可例如是處理器、風扇、記憶體、PCI裝置、硬碟等等。電源供應裝置104係提供直流電源給前述之電源消耗裝置102，且電源供應裝置104可包含一輸出偵測器M，用以監視電源供應裝置104實際之輸出功率、輸出電流、或輸出電壓。電源供應裝置104可基於前述之IBM 60Y0332 675W HE Redundant Power Supply或是IBM 46M1057 675W Redundant Power Supply加以延伸實施。電源管理控制器106包含微處理器與記憶體(未顯示)，較佳實施為整合在電腦系統100上主機板(未顯示)的基板管理控制器(BMC、Baseboard Management Controller)，惟電源供應裝置104與電源管理控制器106相對於先前技術之差異將說明如後。
需說明的是，圖1所示係省略與本發明無關的細節，而電腦系統100的其他基本架構與元件可參見一般的個人電腦或伺服器，例如International Business Cooperation的System X、Blade Center或eServer伺服器，或者參考同屬申請人之美國專利申請公開號US Pub.2002/0171398與US Pub.2009/0265564，在此以引用的方式併入本文。
<電源供應裝置>
對應圖1所示之電源供應裝置104，以下範例中為了說明本發明之目的，提出三種不同的電源供應裝置104(A、B、C)，其最大標稱值分別為900W、750W、550W，惟本發明不應侷限於此。表1係分別列示電源供應裝置104(A、B、C)之輸出特性，惟熟此技藝者應可知，表1所示之電源供應裝置輸出特性，在實際應用時，可能會有小範圍(例如正負5%)的變動。
<第一實施例：輸出功率>
在本實施例中，如表1所示，電源供應裝置104(A、B、C)對其輸出功率各自具有「最大標稱功率」與「安全極限功率」，其定義可參閱前述之「最大標稱值」與「安全極限值」。換言之，對於輸出功率，電源供應裝置104(A、B、C)(以下僅以電源供應裝置104代表說明)皆設計可短時間運作於其中的「超載區」。
進一步參考圖1而說明本實施例。在電腦系統10正常運作時，電源管理控制器106係設定電源消耗裝置102的消耗功率，使得電源供應裝置104之輸出功率不超過「最大標稱功率」。但不可避免地，在突發狀況(例如其他協同的電源供應裝置突然被移除或是無法工作)時，電源供應裝置104的負載增加，且其輸出功率從原本不超過「最大標稱功率」的狀態而上升超過「最大標稱功率」。
若輸出功率持續上升而觸及「安全極限功率」，則電源供應裝置104將強迫進入保護程序(例如進入定電流(Constant current)模式、重啟(Hiccup)模式、或關機(shutdown)模式)或是啟動其他電源供應裝置104本身所具有的保護機制。
特別地，當輸出功率上升超過「最大標稱功率」但尚未超過「安全極限功率」，也就是輸出功率處於「超載區」時，電源管理控制器106控制電源消耗裝置102以試圖降低其消耗功率，其目的在於使輸出功率儘速回復至最大標稱值以下。
進一步配合圖2以及表2加以說明電源供應裝置104(A、B、C)輸出功率進入「超載區」的範例。在此實施例中，電源供應裝置104之輸出偵測器M係偵測電源供應裝置104之輸出電流A以及輸出電壓V，進而可透過輸出電流A與輸出電壓V的乘積計算出輸出功率。
需說明的是，由於實際輸出電壓V在通常狀況下僅會具有不超過正負3%的變動(即圖2中輸出電壓V波形的VPP )，因此實質上可將輸出電壓V視為定值(例如12.2V)，因此可單獨將偵測器M所偵測到輸出電流A視為輸出功率的指標，來判斷輸出功率是否超過表1所示之「最大標稱功率」而進入「超載區」。而表2僅列示出圖2中輸出電流A之相關值，而可將tr 視為輸出功率進入「超載區」的時間點，而tf 視為輸出功率離開「超載區」的時間點。
<降載訊號>
在此實施例中，電源供應裝置104與電源管理控制器106間係透過特定的訊號接腳(pin)連結以傳送降載(throttle)訊號，因此當輸出功率觸及「超載區」時，電源供應裝置104可藉由降載訊號通知電源管理控制器106，藉此電源管理控制器106可啟動相應的控制程序，以試圖降低電源消耗裝置102的消耗功率。較佳地，降載訊號之形式可為邏輯訊號，換言之，電源供應裝置104係透過改變輸出準位來傳送降載訊號給電源管理控制器106。
舉例來說，在正常狀況時(即輸出功率在「最大標稱功率」以下時)，電源供應裝置104係輸出高準位給電源管理控制器106，此高準位可設定為電腦系統10中的元件工作電壓(例如可為3.3V或5V)，而當輸出功率觸及「超載區」，電源供應裝置104則改輸出低準位(例如可為0V)給電源管理控制器106，而當電源管理控制器106偵測到低準位的降載訊號時，即可進行對應地控制以試圖降低電源消耗裝置102的消耗功率。
需說明的是，電源供應裝置104與電源管理控制器106間可具有其他的訊號接腳，用以提供其他用途，本發明並不欲加以限制。
電源管理控制器106可採用任何習知方式來降低電源消耗裝置102的消耗功率，本發明並不欲加以限制，但為了減少電源供應裝置104在「超載區」過長時間運作所產生的損壞風險，電源管理控制器106較佳地係採用能夠在約0.9秒至1.1秒之間的短時間內將輸出功率降至「最大標稱功率」以下的控制方式。而圖2與表2之範例，電源管理控制器106的控制係使得電源供應裝置104處於「超載區」的時間(即t1 )不超過1秒。相對地，電源供應裝置104的製造商應盡量確保在所允許處於「超載區」的短時間(即t1 )內，電源供應裝置104不至於損壞而無法運作。
<解除降載訊號>
在電源管理控制器106的控制下，若電源消耗裝置102的消耗功率順利降低，進而使輸出功率從「超載區」下降至「最大標稱功率」以下而達到一參考值，則電源供應裝置104則再將其低輸出準位(0V)回復之原先的高準位(3.3V或5V)以解除降載訊號，當電源管理控制器106偵測到原先的高準位時，則可停止為了降低消耗功率所進行的程序。為了避免過度影響電腦系統10的運作效率，前述參考值可設定為係位為「最大標稱功率」之90%至96%之間，較佳為95%。
關於電源管理控制器106降低電源消耗裝置102的消耗功率的作法，應為熟此技藝者所習知，在此不予贅述，惟需說明的是，電源管理控制器106除了根據與「超載區」相關連之降載訊號外，亦可一併考量其他元件所提供的訊號或是測量參數，再決定降低電源消耗裝置102的消耗功率的最佳方式，以及停止降低消耗功率所進行的程序的條件。
<第二實施例：輸出電流>
在本實施例中，如表1所示，電源供應裝置104(A、B、C)對其輸出電流各自具有「最大標稱電流」與「安全極限電流」，其定義可參閱前述之「最大標稱值」與「安全極限值」。換言之，對於輸出電流，電源供應裝置104(A、B、C)皆設計有「超載區」。
與上述第一實施例相似地，在本實施例中，若輸出電流持續上升而觸及「安全極限電流」，則電源供應裝置104將強迫進入保護程序或是啟動其他電源供應裝置104本身所具有的保護機制。
特別地，當輸出電流上升超過「最大標稱電流」但尚未超過「安全極限電流」，也就是輸出電流處於「超載區」時，電源管理控制器106控制電源消耗裝置102以試圖降低其消耗功率，並連帶降低其消耗電流，其目的在於使輸出電流儘速回復至最大標稱值以下。
與第一實施例不同的是，本實施例並無考慮輸出功率(即輸出電流與輸出電壓的乘積)。因此圖2上半部所示之輸出電流波形以及表2亦可作為說明電源供應裝置104(A、B、C)輸出電流進入「超載區」的範例，而可將tr 視為輸出電流進入「超載區」的時間點，而tf 視為輸出電流離開「超載區」的時間點。其他部份，例如降載訊號的說明，可參考第一實施例的說明，在此不予贅述。
<第三實施例：輸出電壓>
在本實施例中，如表1所示，電源供應裝置104(A、B、C)對其輸出電壓「安全極限電壓」，其定義可參閱前述之「安全極限值」。表1雖沒有限定「最大標稱電壓」，但可將一般對於「標稱電壓」所允許的小範圍變動上限作為「最大標稱電壓」，例如「最大標稱電壓」可為「標稱電壓」之103%或是105%。藉此，對於輸出電壓，電源供應裝置104(A、B、C)亦可設計有「超載區」。
與上述第一實施例相似地，在本實施例中，若輸出電壓持續上升而觸及「安全極限電壓」，則電源供應裝置104將強迫進入保護程序或是啟動其他電源供應裝置104本身所具有的保護機制。
特別地，當輸出電壓上升超過「最大標稱電壓」但尚未超過「安全極限電壓」，也就是輸出電壓處於「超載區」時，電源管理控制器106控制電源消耗裝置102以試圖降低其消耗功率，並連帶降低其消耗電壓，其目的在於使輸出電壓儘速回復至最大標稱值以下。
與第一實施例不同的是，本實施例並無考慮輸出功率(即輸出電流與輸出電壓的乘積)。其他部份，例如降載訊號的說明，可參考第一實施例與第二實施例的說明，在此不予贅述。
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．．．電腦系統
102．．．電源消耗裝置
104．．．電源供應裝置
106．．．電源管理控制器
M．．．輸出偵測器
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：
圖1一種依據本發明一具體實施例之電腦系統；以及
圖2為顯示本發明中電源供應超載之範例。
100．．．電腦系統
102．．．電源消耗裝置
104．．．電源供應裝置
106．．．電源管理控制器
M．．．輸出偵測器

Claims (11)

  1. 一種電腦系統，包含：一或多個電源消耗裝置；一電源供應裝置，供應電源給該一或多個電源消耗裝置，該電源供應裝置之輸出功率具有一最大標稱值(maximum label value)、高於該最大標稱值之一安全極限值、以及該最大標稱值與該安全極限值之間之一超載區(over subscription zone)；以及一電源管理控制器，連結該電源供應裝置與該一或多個電源消耗裝置，且用於控制該一或多個電源消耗裝置之消耗功率(consumed power)；其中，當該輸出功率不低於該安全極限值，該電源供應裝置係進入保護(protection)程序；以及其中，因應該輸出功率從該最大標稱值進入該超載區，該電源管理控制器控制該一或多個電源消耗裝置以試圖降低其消耗功率。
  2. 如請求項1所述之電腦系統，其中因應該電源供應裝置之輸出功率從該最大標稱值進入該超載區，該電源供應裝置利用一降載(throttle)訊號通知該電源管理控制器，藉此該電源管理控制器控制該一或多個電源消耗裝置以試圖降低其消耗功率。
  3. 如請求項2所述之電腦系統，其中因應該電源供應裝置之輸出功率從該最大標稱值進入該超載區，該電源供應裝置改變該降載訊號之準位以通知該電源管理控制器。
  4. 如請求項3所述之電腦系統，其中因應該電源供應裝置之輸出功率從該最大標稱值進入該超載區，該降載訊號之準位被拉低至一低準位，其中該降載訊號之低準位係低於該電源供應裝置所輸出之一高準位(3.3V or 5V)。
  5. 如請求項1所述之電腦系統，其中該電源管理控制器控制該一或多個電源消耗裝置以降低其消耗功率，藉此該輸出功率持續處於該超載區的時間不超過一預定時間。
  6. 如請求項5所述之電腦系統，其中該預定時間係於0.9秒至1.1秒之間。
  7. 如請求項1所述之電腦系統，該電源供應裝置之輸出功率更具有低於該最大標稱值之一參考值，當因應該輸出功率從該超載區下降至不高於該參考值，該電源管理控制器控制該一或多個電源消耗裝置以停止降低其消耗功率。
  8. 如請求項7所述之電腦系統，其中該參考值係位為該最大標稱值之90%至96%之間。
  9. 如請求項1所述之電腦系統，其中該保護程序包含進入定電流(Constant current)模式、重啟(Hiccup)模式、或關機(shutdown)模式。
  10. 一種電腦系統，包含：一或多個電源消耗裝置；一電源供應裝置，供應電源給該一或多個電源消耗裝置，該電源供應裝置之輸出電流具有一最大標稱值(maximum label value)、高於該最大標稱值之一安全電流值、以及該最大標稱值與該安全電流值之間之一超載區(over subscription zone)；以及一電源管理控制器，連結該電源供應裝置與該一或多個電源消耗裝置，且用於控制該一或多個電源消耗裝置之消耗功率(consumed power)；其中，當該輸出電流不低於該安全電流值，該電源供應裝置係進入保護程序；以及其中，因應該輸出電流從該最大標稱值進入該超載區，該電源管理控制器控制該一或多個電源消耗裝置以試圖降低其消耗功率。
  11. 一種電腦系統，包含：一或多個電源消耗裝置；一電源供應裝置，供應電源給該一或多個電源消耗裝置，該電源供應裝置之輸出電壓具有一最大標稱值(maximum label value)、高於該最大標稱值之一安全電壓值、以及該最大標稱值與該安全電壓值之間之一超載區(over subscription zone)；以及一電源管理控制器，連結該電源供應裝置與該一或多個電源消耗裝置，且用於控制該一或多個電源消耗裝置之消耗功率(consumed power)；其中，當該輸出電壓不低於該安全電壓值，該電源供應裝置係進入保護程序；以及其中，因應該輸出電壓從該最大標稱值進入該超載區，該電源管理控制器控制該一或多個電源消耗裝置以試圖降低其消耗功率。
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