【導讀】本文概要介紹了開(kāi)放計算項目開(kāi)放機架第3版(OCP ORV3)備用電池單元(BBU)的系統要求。文中強調了可在停電時(shí)提供電能的高效、智能BBU的重要性。此外，本文展示了模擬和數字設計解決方案、電氣和機械解決方案及其為滿(mǎn)足書(shū)面規范而開(kāi)發(fā)的架構。
摘要
本文概要介紹了開(kāi)放計算項目開(kāi)放機架第3版(OCP ORV3)備用電池單元(BBU)的系統要求。文中強調了可在停電時(shí)提供電能的高效、智能BBU的重要性。此外，本文展示了模擬和數字設計解決方案、電氣和機械解決方案及其為滿(mǎn)足書(shū)面規范而開(kāi)發(fā)的架構。
引言
數據中心為互聯(lián)網(wǎng)提供支持，連接世界各地的社區。Facebook、Instagram和X（前稱(chēng)Twitter）等社交媒體公司依靠數據中心來(lái)傳播和存儲信息，而雅虎和谷歌等搜索引擎則利用數據中心支持其主要搜索引擎和存儲功能。全球幾乎所有大公司和政府機構都需要可靠的數據中心功能，以通過(guò)智能計算、存儲和搜索來(lái)運營(yíng)和維護其主要業(yè)務(wù)職能。隨著(zhù)用戶(hù)數量逐年增加，數據中心容量持續以驚人的速度增長(cháng)，以適應需求和技術(shù)進(jìn)步。為了跟上不斷增長(cháng)的需求，數據中心的系統架構也要不斷更新升級。
OCP是一個(gè)共享數據中心設計的組織，其系統架構定義基于開(kāi)放計算項目開(kāi)放機架第2版(OCP ORV2)，其中背板電壓標稱(chēng)值為12 V，系統功率為3 kW。另一方面，使用量的增加導致功率需求增加，這使得12 V系統的功率要求過(guò)高，進(jìn)而不利于整體系統性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在系統功率保持不變的情況下，背板電壓增加到48 V，從而盡量減少所需的電流和銅走線(xiàn)，并降低背板散發(fā)的熱量。這一變化提高了整體系統效率，并降低了對復雜散熱系統的需求。這就是新的開(kāi)放機架第3版標準(OCP ORV3)的基礎。
圖1.OCP ORV3電源架構。
數據中心的可靠性是保證運營(yíng)正常的基本條件。為系統增加BBU可提供系統冗余性。如果發(fā)生停電或限電，系統需要時(shí)間來(lái)察覺(jué)情況，保存重要數據，并將操作切換到另一臺數據中心服務(wù)器（很可能位于不同的數據中心設施和地點(diǎn)）。這些應對操作必須以無(wú)縫的方式完成。每個(gè)機架都使用備用電源系統來(lái)調節系統的延時(shí)電源。這一需求在最新標準ORV3 BBU中被明確為：基于鋰離子電池儲存和調節的電量，每個(gè)BBU單元需提供15 kW功率輸出，維持系統運行4分鐘。
在該規范的指導下，ADI公司與OCP組織合作完成和制作了參考設計方案，它包括：用于通過(guò)單一電路專(zhuān)門(mén)進(jìn)行充電和放電操作的雙向電源轉換器、電池管理系統(BMS)器件、帶固件和GUI支持的板載設計系統主機微控制器以及硬件放大。
設計要求和硬件實(shí)現
OCP組織提供的規范（第1.3版）中概述了滿(mǎn)足BBU模塊標準所需達到的構思和設計要求。BBU模塊參考設計基于ORV3 48 V提案，由帶BMS的電池包、充電/放電電路和其他功能塊組成，如圖2所示。
圖2.OCP ORV3 BBU框圖。
除了電路要求外，BBU模塊在其使用壽命期間還需要有幾種主要工作模式，具體如下：
?休眠模式：BBU模塊處于運輸或庫存狀態(tài)，或者未連接到有源母線(xiàn)。此時(shí)電池放電電流最小，以延長(cháng)儲存時(shí)間。BBU監控或報告功能在休眠模式下不可用。當檢測到母線(xiàn)電壓高于46 V且持續時(shí)間大于100 ms而小于200 ms，并且PSKILL信號為低電平時(shí)，BBU將喚醒并退出休眠模式。
?待機模式：BBU模塊已充滿(mǎn)電且運行正常，并持續監控母線(xiàn)電壓，以便為放電事件做好準備。BBU模塊在其使用壽命的大部分時(shí)間都以這種模式運行。BBU模塊的狀態(tài)和參數通過(guò)通信總線(xiàn)顯示在上游機架監視器上。
?放電模式：當母線(xiàn)電壓降至48.5 V以下且持續時(shí)間大于2 ms時(shí)，BBU模塊放電模式就會(huì )激活。BBU模塊預計將在2 ms內接管母線(xiàn)電壓，備用時(shí)間為4分鐘。
?充電模式：當所有條件都滿(mǎn)足時(shí)，BBU模塊使能其內部充電器電路，為其電池包充電。根據電池容量的上次放電深度，充電電流可以為0 A至5.5 A之間的任意值。它還允許上游系統通過(guò)通信總線(xiàn)超控充電電流。應該有一個(gè)基于計算的充電電流的充電器超時(shí)控制方案。
?運行狀態(tài)檢查(SOH)模式：BBU模塊通過(guò)對電池包進(jìn)行強制放電來(lái)例行測試電池包容量。BBU模塊應每90天執行一次SOH測試，以確定電池的EOL狀態(tài)。
?系統控制模式：BBU應允許上游系統通過(guò)通信總線(xiàn)控制充電/放電操作。
除了BBU模塊運行要求外，OCP還規定了電池包容量、電芯類(lèi)型和電池包配置的標準。具體說(shuō)明如下：
?電池包容量：BBU模塊可以在4年時(shí)間里提供不超過(guò)4分鐘的3 kW備用電源。
?電芯類(lèi)型：BBU模塊應為鋰離子18650型，電芯電壓為3.5 V至4.2 V，電池容量至少為1.5 AH，連續額定放電電流為30 A。
?電池包配置：BBU模塊的電池包配置為11S6P（6個(gè)串聯(lián)組合并聯(lián)在一起，每個(gè)串聯(lián)組合由11個(gè)電芯串聯(lián)而成）
此外，BBU模塊需要有BMS來(lái)提供電池充電/放電算法、保護、控制信號和通信接口。BMS還負責建立電芯平衡電路，使電池包中的電芯電壓保持在±1% (0.1 V)容差以?xún)取?/p>
參考設計框圖（見(jiàn)圖3）顯示了選定的器件，以及為完成某些任務(wù)而集成的各種元件，它們構成的電路能夠提供不間斷電源、判斷模塊運行狀況和故障并執行模塊通信。LT8228是一款雙向同步控制器，位于BBU模塊內。該器件在線(xiàn)路電源中斷的情況下提供電源轉換，并在非故障運行期間提供電池充電功能。LT8551是一款4相同步升壓DC-DC相位擴展器，與LT8228協(xié)同工作，將放電功率輸送能力提高至每個(gè)BBU模塊3 kW。除了電源轉換IC外，BBU模塊還包含MAX32690，它是一款超低功耗Arm?微控制器，負責整個(gè)系統的運行。LTC2971是一款2通道電源系統管理器，用于實(shí)現電源路徑的精密感知和故障檢測，以及關(guān)鍵的電壓下降功能。MAX31760是一款精密風(fēng)扇轉速控制器，用于在充電和放電操作期間執行系統散熱功能。EEPROM用作數據存儲設備，允許用戶(hù)在BBU模塊可用期間恢復任何有用數據。除了電源轉換器和負責一般管理任務(wù)的微控制器之外，設計中還包含BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多電芯電池監控器，用于監測電池電壓水平，而其固有的庫侖計數器用于確定充電狀態(tài)(SOC)和SOH水平，以進(jìn)行電池平衡和電池預期壽命計算。電池運行狀態(tài)監控程序由超低功耗Arm微控制器MAX32625完成。兩款微控制器均經(jīng)過(guò)精心挑選，以降低總功耗，從而延長(cháng)BBU休眠工作模式期間的電池壽命。
除了所提供的器件之外，該參考模塊還提供和構建了BBU模塊（見(jiàn)圖4a）和BBU層板（見(jiàn)圖5），以容納和展示符合OCP ORV3 BBU模塊和層板機械規范的參考設計。BBU層板包括6個(gè)BBU模塊插槽，因此單個(gè)BBU層板可根據需要提供高達18 kW的備用電源。
圖3.ADI OCP ORV3 BBU框圖。
圖4.(a) ADI BBU模塊的3D渲染機械概覽，(b) 氣流仿真。
機械渲染和氣流仿真是BBU模塊參考設計在架構上的兩個(gè)優(yōu)勢。首先，它支持可視化，可提供準確且有吸引力的表示形式。機械結構分析可盡早發(fā)現設計問(wèn)題和潛在變化，這有助于整個(gè)設計過(guò)程。最后但同樣重要的是，它可以減少對耗時(shí)又昂貴的實(shí)際原型的需求。另外，氣流仿真可以提供性能分析，幫助識別潛在問(wèn)題并提高設計效率。它還負責熱管理，能夠協(xié)助識別熱點(diǎn)，優(yōu)化熱損失，并增強整體系統可靠性。此外，它還能夠根據安全和合規的要求規劃電池包空間，從而降低風(fēng)險。更多信息請參見(jiàn)圖4b。
圖5.已插入六個(gè)BBU模塊的ADI BBU層板的3D渲染。
數據與結果
下面給出的測試結果包括穩態(tài)性能測量、功能性能波形、溫度測量和工作模式轉換。使用BBU模塊參考設計測試了以下配置：
表1.ORV3 BBU模塊參數
放電操作（升壓模式） | 充電操作（降壓模式） |
輸入電壓：30 V至44 V | 輸入電壓：49 V至53 V |
輸出電壓：47.5 V至48 V | 輸出電壓：48 V |
輸出負載：0 A至63.2 A | 輸出負載：0 A至5 A |
開(kāi)關(guān)頻率：150 kHz | 開(kāi)關(guān)頻率：400 kHz |
性能數據
效率與功率損耗
BBU模塊參考設計證明了它能夠在滿(mǎn)足ORV3 BBU規范的約束條件下，實(shí)現更高的效率和更低的功率損耗。放電和充電限制分別設置為97%和95%。在放電操作期間，測得的半負載(31.6A)平均效率為98.5%，而滿(mǎn)負載(63.2A)平均效率為98%。受更大電感的影響，較低的MOSFET漏源導通電阻和精心選擇的開(kāi)關(guān)頻率將有助于提高效率和降低紋波電流。此外，BBU模塊在5 A負載的充電操作期間實(shí)現了97%的高平均效率。在使用相同電感值的情況下以400 kHz開(kāi)關(guān)頻率運行時(shí)，效率得到提高，功率損耗也充分降低。高效率和較低功率損耗將有助于延長(cháng)電池壽命周期，并降低散熱所需的風(fēng)扇轉速。參見(jiàn)圖6。
另一方面，控制和同步MOSFET的傳導損耗會(huì )影響B(tài)BU放電和充電操作期間的整體功率損耗。
圖6.放電和充電工作模式期間各自的效率和功率損耗。
輸出壓降
ORV3 BBU規范的另一個(gè)要求是在放電工作模式期間考慮壓降。電壓下降是指在驅動(dòng)系統負載時(shí)有意降低BBU背板電壓的現象。BBU背板電壓將根據LTC2971在線(xiàn)DAC測得的系統負載電流而實(shí)時(shí)改變。因此，從空載到滿(mǎn)載的背板壓降保持在ORV3 BBU要求的±1%限值以下。參見(jiàn)圖7。
圖7.放電工作模式期間的輸出壓降。
開(kāi)關(guān)波形
檢查開(kāi)關(guān)波形可為性能評估、故障分析、效率優(yōu)化、降低EMI和安全考量提供有價(jià)值的信息。它讓工程師能夠發(fā)現和解決問(wèn)題，優(yōu)化系統性能，確保數據中心BBU模塊可靠、高效運行。
BBU模塊的開(kāi)關(guān)操作在放電工作模式期間至關(guān)重要，它將30 V至44 V電池包電壓轉換為48 V背板電壓。這是通過(guò)同步功率MOSFET實(shí)現的，它由LT8228脈沖寬度調制(PWM)信號準確調節，配套的LT8551重復LT8228的操作。每相的開(kāi)關(guān)頻率和均流導致電壓升高，是影響其運行的重要因素。主轉換器及其多相擴展器在滿(mǎn)載時(shí)的開(kāi)關(guān)波形如圖8所示。在充電工作模式中，雙向轉換器以單相操作，將49 V至53 V背板電壓降低至44 V，為電池包充電。它的工作原理是快速切換同步功率MOSFET并使電感電流斜坡上升。雙向轉換器在5 A負載下的開(kāi)關(guān)波形如圖9所示。
圖8.以44 V輸入和63.2 A輸出負載運行時(shí)，放電工作模式期間主控制器和擴展器的開(kāi)關(guān)波形。
圖9.以53 V輸入和5 A輸出負載運行時(shí)，充電模式期間主控制器的波形。
熱性能
必須仔細平衡熱性能和效率。BBU模塊必須能夠承受高溫并持續工作，而不會(huì )過(guò)熱，同時(shí)也要以理想效率運行，能夠將盡可能多的輸入功率轉化為輸出功率。在圖10中，在放電工作模式（滿(mǎn)負載運行約4分鐘）期間測得的電路板最差溫度僅為40°C至60°C。在充電模式下，同步MOSFET的溫度低于50°C。合理構建的空氣散熱系統可降低元器件的發(fā)熱量，防止熱失控。為避免電池堆過(guò)熱，需要設計合理的電芯間距和適當的氣流。參見(jiàn)圖11。
工作模式轉換
BBU模塊的工作模式轉換對于確保電源中斷或變化期間的不間斷供電至關(guān)重要。此過(guò)程包括將電池包能量順利傳輸到數據中心的背板，確保重要系統和設備保持正常運行4分鐘。BBU模塊持續監測背板母線(xiàn)電壓。當母線(xiàn)電壓在2 ms內下降至BBU模塊激活電平(48.5 V)時(shí)，BBU模塊背板電壓必須斜坡上升，以在2 ms內為母線(xiàn)提供全部功率。在整個(gè)轉換過(guò)程中，母線(xiàn)電壓不得降至46 V以下。BBU模塊檢測到母線(xiàn)電壓超過(guò)48.5 V并持續200 ms以上后，退出放電工作模式。參見(jiàn)圖12。
圖10.放電和充電工作模式下各自滿(mǎn)載運行時(shí)電路板的熱性能。
圖11.電池堆間隙設計。
圖12.從穩定狀態(tài)過(guò)渡到電源中斷狀態(tài)。
總結
為了節省能源，數據中心正在轉向采用48 V系統。由于電流、銅損和電源母線(xiàn)尺寸更小，48 V服務(wù)器機架在功耗、散熱、尺寸及成本方面比12 V服務(wù)器機架更具效益。前端無(wú)調節的高效率電路級，后面接一個(gè)根據適當負載調整的穩壓器，這樣的設計非常適合數據中心服務(wù)器微處理器和存儲器。這種高水平的思考，加上OCP的最新創(chuàng )新，為實(shí)現更高效的配電和智能備用電池單元設計奠定了基礎，從而可以支持連續和無(wú)縫的操作。
為BBU模塊和層板選擇并實(shí)現合適的器件可以簡(jiǎn)化整體設計，延長(cháng)電池使用壽命，縮短漫長(cháng)的工程開(kāi)發(fā)周期，并有效降低工程和生產(chǎn)成本。此外，提供機械仿真可以簡(jiǎn)化原型制作步驟，獲得可用于改進(jìn)散熱和熱管理的數據，并增強設計可靠性。最后，提供適當且精心設計的固件算法和序列可確保BBU輕松順利地運行。
本系列的第二部分將針對面向BBU一般管理任務(wù)的專(zhuān)門(mén)設計，介紹BBU模塊的各種主要微控制器功能和操作。此外，第二部分將更深入地概述如何監測有用信息，以及如何使用這些信息來(lái)構建和執行正確的工作流例程。
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