歡迎來到電源設計小貼士 Power Tips系列文章

本期，我們將介紹數(shù)據中心電源架構的詳細知識

機器智能正在開啟生產力的新時代，并逐漸融入我們生活和社會的各個學科和職能領域當中。機器智能依賴計算平臺來執(zhí)行代碼、解讀數(shù)據，并能在瞬間從數(shù)萬億數(shù)據點中獲取信息。支撐機器智能的計算硬件需具備高速度、極高可靠性與強大功能。設計人員必須將穩(wěn)健的設計實踐與自診斷功能及持續(xù)監(jiān)測方案相結合，才能預防或管理系統(tǒng)中的潛在故障，如數(shù)據損壞或通信錯誤。

此類監(jiān)測系統(tǒng)的一個核心要素是對全系統(tǒng)電源導軌進行監(jiān)控。本文將探討并闡述為企業(yè)應用設計電源導軌與處理器導軌監(jiān)測解決方案的最佳實踐。

了解電源架構

企業(yè)計算依賴復雜的電源架構，將交流電能從電源輸送至系統(tǒng)各負載點。圖 1 簡要展示了服務器機架中的元件。

圖 1 服務器機架概略圖表：

分布式電池備份單元 (BBU) 和電源單元 (PSU) 連接至匯流條，由匯流條向機架分配交流電。

高效PSU（鈦金級設計的效率通常高于 91%）將交流電（208V 或 240V）轉換為 48V 并分配到整個機架。然后，配電板 (PDB)將直流電源轉換為各種電壓（通常為 12V、5V、3.3V），為主板、存儲、網絡接口卡 (NIC)、交換機及系統(tǒng)散熱等子系統(tǒng)供電。每個子系統(tǒng)均配備有在本地管理的電源架構。電池備份單元 (BBU) 在交流線路中斷時維持系統(tǒng)電力供應。

耐用性設計

每個子系統(tǒng)都需要可靠的電源設計與監(jiān)測。我們來進一步探討其中的部分子系統(tǒng)。

PSU

PSU 具有多種監(jiān)測類型，以確?？煽康倪\行和輸電。PSU 可監(jiān)測交流電源的輸出電壓，同時檢測內部溫度、過壓和欠壓情況以及短路。

服務器設計還需要 N+1 冗余：“N”表示滿足服務器電源需求的最少 PSU 數(shù)量。如果其中一個 PSU 遇到臨時或永久故障或失效，則可使用附加的 PSU（“+1”）。

PDB

如前所述，PDB 將 48V 輸入轉換為多種直流導軌電壓，包括 12V、5V 和 3.3V。盡管可以采用帶簡單并聯(lián)基準的比較器來監(jiān)測各電源軌的過壓/欠壓情況，但現(xiàn)代電壓監(jiān)控器不僅尺寸小巧、易于設計，還具有諸多額外優(yōu)勢，例如磁滯與輸入檢測延遲實現(xiàn)防噪性能，可調輸出延遲避免加電期間誤觸發(fā)，更高精度造就最高的檢測可靠性。

許多新的電壓監(jiān)控器（例如德州儀器 (TI) TPS3760）的額定電壓高達 70V，可直接監(jiān)測 48V 和其他總線電壓，無需低壓降穩(wěn)壓器或專用電源導軌。除了實時監(jiān)控，高級監(jiān)測集成電路還可以提供最重要導軌電壓的遙測數(shù)據，實現(xiàn)預測性維護和歷史故障分析，從而顯著減少系統(tǒng)停機時間。

另一個設計注意事項是早期電源故障檢測。這些電路會監(jiān)測特定電源導軌是否突然出現(xiàn)壓降，并提醒主機或處理器在預期斷電前迅速采取措施。高速且精密的欠壓監(jiān)控器可執(zhí)行此功能。圖 2 展示了此類設計的示例及其計時示意圖。

圖 2 計時示意圖的電壓監(jiān)控器示例，監(jiān)測 0.85 至 6.0V 電源導軌是否突然出現(xiàn)壓降，以便在斷電時采取措施。

主板

主板電源導軌給設計人員帶來了一系列不同的挑戰(zhàn)，本節(jié)將更詳細地探討這些挑戰(zhàn)。

處理器導軌監(jiān)測

現(xiàn)代處理器對電源導軌的波動極為敏感。造成這種情況的原因有很多，但主要是因為這些處理器在低至 0.7V 的電壓下運行，對電壓波動的容差更低，而且采用了動態(tài)電壓和頻率調節(jié)等功能。

因此，這些處理器需要高精度的窗口電壓監(jiān)控器。窗口監(jiān)控器可監(jiān)測電源電壓是否存在過壓和欠壓情況。適用于這些應用的器件（如 TI 的TPS389006）具有±6mV的精度。設計人員可以通過 I2C 寄存器將毛刺濾波器調整至高達 650ns。

電源導軌設計的另一個核心方面是系統(tǒng)在負載快速瞬變期間保持穩(wěn)定的能力?，F(xiàn)代處理器可在幾微秒內從空閑狀態(tài)切換到滿載狀態(tài)，如果電源和監(jiān)測系統(tǒng)沒有設計快速環(huán)路響應和適當?shù)妮敵?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容，則會導致急劇的壓降或過沖。

正確的加電和斷電時序對于主板和處理器也至關重要。時序控制可確保系統(tǒng)正確初始化，例如，處理器可能要求內存控制器正常運行后再執(zhí)行指令。時序控制還可防止加電期間輸入較大的浪涌電流和電壓峰值。在斷電期間，時序控制可在斷電之前為內存和存儲器件提供足夠的時間來保存數(shù)據或完成操作，從而保持數(shù)據完整性。

圖 3 提供了監(jiān)測電源導軌和對其進行時序控制的設計示例。

圖 3 實現(xiàn)正確系統(tǒng)初始化的電源導軌監(jiān)測與

和時序控制示例。

最后，管理輸入浪涌電流對配備熱插拔元件的系統(tǒng)至關重要，可避免觸發(fā)電路保護或導致電源總線失穩(wěn)。集成限流與故障檢測功能的熱插拔控制器可確保順利插入和移除，不會影響其他正在運行的子系統(tǒng)。

未來趨勢

企業(yè)行業(yè)已蓄勢待發(fā)，準備切換至 400VDC 配電系統(tǒng)，這將消除冗余的變電環(huán)節(jié)和 I2R 損耗，提升效率，并減少銅材用量與成本。此類高壓系統(tǒng)將需要更強大的導軌監(jiān)測能力，配合更快的故障檢測與隔離技術，以維持安全性與系統(tǒng)正常運行時間。為了滿足該領域未來的設計需求，新一代高壓監(jiān)測解決方案應運而生。

卓越的電源架構對于企業(yè)系統(tǒng)持續(xù)可靠運行至關重要。將穩(wěn)健的電源設計實踐與實時監(jiān)測及早期故障檢測相結合，有助于預防意外故障并保護關鍵工作負載。隨著系統(tǒng)復雜度提升及電源架構演進（尤其是向更高壓配電轉型），精心規(guī)劃與導軌監(jiān)控將在提供安全高效的性能方面持續(xù)發(fā)揮作用。