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1、数据机房高压直流供电模式的探讨摘要：随着信息技术的发展和数据业务的迅速扩大，电信网络正处于变革之中，电信网络的变革必然影响到电源系统。数据通信设备要求交流电源与电信设备传统的-48V 直流电源不兼容，因而对电源设备提出了新的要求应达到高可靠性、高可用度和高效率的要求。如何构成这种新的电源系统？这是通信电源系统设计有待解决的新问题。上个世纪 90 年代末以来，国 内外已开始注意 和研究适 应数据通信设备融合 的电源系统 结构，提出了 一些新型实施方案 。我们也在探索合理的数据 机房供电系统， 下文将简 要分析与 探讨。关键词 ：数据 机房高压直流 270V 一、 前言今天，数据设备中 使用交流电
2、源的信息通信设备种类越来越多，而且容量越 来越大，UPS 供电系统已经广泛地 应用于 各通信运营商 的通信局站中。随着我国通信 行业的高速发展，数据业务的快速增加，通信 局站的 UPS 供电系统 已经成为网络安全的重要一环，UPS 供电系统的大 量应用， 加剧了通信 局 站的供电压力，增大了安全隐患 ，也加大了设备维护工作量 。尽管出现了双总线 UPS 供电系统， 增加了 UPS 供电的可靠性， 但随之又加大了机房使 用面积及增加了设备 投资，UPS 供电系统的 安全运行已经越 来越受业内人士 的高度重视，同 时也是维护人员最为担心 的重要一环 。众所周知 ，直流 供电系统的可靠性要高于UPS
3、 供电系统， 那么我们能不能找到一种新的 供电系统来 取代 UPS 供电系统，消除人们的顾虑呢 。本文将对一种新型的高压直流供电系统做一些应用探讨。 自上世纪 80 年代以后，很多国家都在研究 和实施300400V 高压直流(HV DC)供电系统。国 际电信能源会议 的组织者很关心这项工作 ，经常发布各国的 论 文，如 1999 年日本 代表提出290V 直流供电系统是电信和数据高效和可靠的供 电系统 ；法国电信和阿尔卡持公司相继 于 1999 年提出 供电给新的电信网络和服务用的新的 供电系统 ，2000 年又发表了用于电信和数据 融合的整流型 AC 供电的新 方法 ；2007 年发表了美国
4、在电信和数据中 心改进能源效率的 400V 直流供电系统的 评估 和瑞典 在 Gnesta 市数据中心运行一年的 9kW HV DC UPS 供电系统 等论文。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 二、高压直流供电解决方案与传统 48V 供电系统 类似，高压直流供电系统是 由多个并联冗余整流器和 蓄电池组成的。 在正常情况 下，整流器将市电交流电源变 换为 270V、350V 或420V 等直流电源， 供给电信设备，
5、 同时给蓄电池充电。电信设备 需要的其它电 压等级的直流电源， 采用 DC/DC 变换器变换得到。市电停电时，由蓄电池放电 为电信设备 供电；长时间市电停电时，由备用发电机组替代市电，提 供交流输入 电源。与传统的 -48V 直流电源系统的 一样，蓄电池备用 时间为 1 24h，典型的 蓄电池备用 时间为13h。图 1 供电示意图目前在国内通信中 主要试用了 270V 电压级别的高压直流电源系统，在试用 中优点得到了较充分的体现。1 服务器电源直流供电的可行性1.1 ATX标准（功因低、谐波大、效率低）ATX 标准是 Intel在 1997 年推出的一个规范，输出功率一般在125 瓦350 瓦
6、之 间。ATX电源通 常采用 20Pin(20 针) 的双排长方形插座给主板供电。随着Intel推出 Pentium4处理器，电源规范也由ATX修改为 ATX12V ，和 ATX 电源相比，ATX12V 电源主要增加了一个4Pin 的 12V 电源 输出端，以 便更好 地满足Pentium4 的供电要求（2GHz主频的 P4 功耗达到 52.4 瓦） 。鉴于 ATX的普遍使用和高压直流供电的优 势，因此希望探讨采用直流高 压供电和 ATX电源结合的供电的方式，即对 ATX电 源采用直流供电，然 后由 ATX电源输出所需电压的可行性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -
7、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 分析过程：图 2 典型 ATX 电源的整流逆变部分电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 2 的 ATX 电源 典型电路（来源于 华硕 的 DTK PTP-2038）中的整流及逆变部分，由于电源中 存在开关 变压器的隔离作用，因 此，只要开关变压器前端的电
8、源波形合适 ，后端的输出也将一 致，所以本文只分析在供 电电源 由交流变 为直流的情况 下，开关 变压器前 端的电 压波形 变化情况。根据对 图 2 的电 路分析 ，在电路上端的开关 接 230V 时，等效简化电路与交流电源 时一 致，其采用直流与交流 供电时结 果 A 、B 两点的电 压波形几乎完 全一 致，采用直流 供电时将 没有交流 供电经过整流滤波仍存 在的少量的电压波动（如图 3 所示） ，效果将更好。图 3. 直流供电后 A、B 两点电压将与交流供电电压波形一致然而当电路上端的开关 接 115V 接口时，前端电路所受主要影响的通路如图4 所示，其采用直流供电时将产生严重的后果。图
9、4 开关接 115V 接口时，前端电路所受主要影响的通 路当采用交流 供电转为直流供电以后，C 点电压将由交流（具体 电压幅值视具 体电路而定）转 为恒定 直流 275V，这 样，D 点的电压也将 由名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - ，交流正 弦波形转化为由三极管 Q1、Q2 控制的方波波形 ，由于其余 电路部 分过于复杂，在此先 不作 分析，但是，由于三极 管 Q1、Q2 的导通与关断取决于 D 点的电压振荡，
10、而 采 用直流 供电后该点电压的振荡过程 发生了明显的变化，这会导致 开关 变压器波形的明显变化，影响电源的正 常输出。 再加上其他未 分析的影响， 若供电电源 由交 流改为直流将对后面的电路产生严 重的影响。结论：由上面分析 可得，将 ATX 电源的 供电改为直流 供电将产生严 重的后果，因 此 ATX 电源不可以 采用直流供电。1.2 SSI 标准SSI（Server System Infrastructure）规范 是 Intel联合一些 主要的 IA 架构服务 器生产商推出的新型服务器电源规范，SSI 规范的推出是为了规范服务器电源技术， 降低开发成本，延长服务器的使用寿命而制定的，主
11、要包括服务器电源规格、背板系统 规格、服务器机箱系统规格和散热系统规格。现在 IDC 机房的服务器内部一般使用 SSI 高频开关电源，把外部输入 的交流电转化为内 部电子电路所用的直流电。计 算机设备的高 频开关电源的 基本工作原理如图 5。图 5 将图 5 简化，如图 6、图 7，实际上在交流 输入的时候，在正半周，电流的 走 向是从 A2C D 4B ，在负半周的时候，电流的走向是从 B3C D 1A ，整流管 1、3 和 2、4 轮流导通。理论计算因此， 标称是 220V 交流输入（即 Ui220）的设备， 在 CD输出的直流电 压 Uo 280V。 一般服务器的电源输入电压要求是220
12、V10，即 198V242V，因 此，Uo 值的范围是 252V308V。这个 值是电源的 标称电压，实际上，CD后端的 DC/DC变换 器是名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 通过调节开关脉冲的占空比即开关管 的导通时间来控制输出直流电的电压的，因 此，电 压范围可以高于308V。当采用直流电 压直接输入AB时，由于电压 不变相，整流管 2、4 长期导通。如图 5，这样，电压从AB端直接传到 CD端。若 不考虑整
13、流管的自身损耗，则 UiUo 图 6 交流输入图 7 直流输入三、高压直流供电方案特点1直流供电替换交流供电的优点可靠性直流电源 模块 化输出和电 池直接并联给 负载 供电, 后备电池与电源后段并联给服 务器构成 2 路冗余供电，可靠性高， 真正不间断；如果UPS 后备电池只是与电源 前段并联给 DC/DC 供电， 整个系统 供电对数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 据设备不是 冗余供电模式。在某种原因下 UPS
14、 系统崩溃, 电池不能直接应用, 导致后端设备断电。而 采用直流 供电,可杜绝系统崩溃带 来的断电风险。可操作、维护性并机容易，并且可以做成系统解决 方案，做到安全不间断割接，功率部分采用模块 化, 支持 带电热插拔, 可快速更换，功率部分和监控功能模块 CSU 之间正常工作是监控单元 CSU 控制 ,故障时各 自独立控制,避免故障 扩散。更换模块和监控单元 CSU 是互不影响的， 便于维护 ；UPS 一般是一体化 ，并机相对难度大， 并机数量有限，不 间断割接困难，维护也 相对困难。提高负载的可靠性计算机等开关 电源 内部的桥式整流变 为直流电正 负极防接反电路,( 原理如图 3) 即使计算
15、机输 入电源的正 负极接反, 不影响计 算机的正常工作，电容 元件的失效问题是影响设备寿命和故 障的一个重要因素。交流电 经过整流桥之后是脉动直流电， 使后面的电容 元件不停的充放电， 寿命缩短 。采用直流 供电, 元器件的寿命可延长. 同时也 延长了负载设备的 寿命，提高了 其可 靠性。智能化管理直流高 压开关电源系统与传统 48V 直流电源系统 一样，可以 很方便的对电 池进行全面 的智 能化管理，具有完备的电 池管理系统， 能有效延长电池的使用寿命 ，降低运营成本，提高 供电的可靠性 ；UPS 电池管理简 单、不全面，同时电池容量损失速度也很快。降低谐波干扰对于计 算机和服务器来说，采用
16、直流 输入，不再存在相位和频率的问题， 多机 并联 变得简单易行，无谐 波干扰 ，UPS 存在输出功率因数，一般在 0.6 0.8 。安全性直流高 压电源系统，是 标准电气柜，安全性高， 并且对分路输出和母线的绝缘状 况实时 监控, 对人身伤害预警 大大提高 ；UPS 非标一体柜，安全性低性价比同样容量的系统，高 压直流电源系统 由于采用 N+1 模式，投资低，性价比高；UPS 性价比低。2. 高效节能由于省掉了逆变部分, 直流开关系统经过 2 次变流，电源效率达到92% 以上， UPS 系统经过 4 次变流效率 一般在 70% 左右，这样可大大 节省能源，降低运营成本。名师资料总结 - -
17、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 四、高压直流供电系统实例220V10或者 110V 10是一个行业基本的规范要求，服务器电源在开发 时，由于国 内外电压等级的不 同，考虑兼容性， 同一款电源适应不同的电压等 级，电脑服务器基本都是宽电压输入 ，输入电压范围 一 般 在AC90 269V, 经 过 全桥 整 流 后 ，直 流 电 压 的 理 论 值 在DC127V 380V。从理论上讲，只要在前端输入直流电 压在DC127V 380V
18、 之间，考虑到直流 输入只利用了两个整流二极管，把 DC127V 带入式 5，可得 U 直=162V ，也就是说，只要直流 输入电压高于 162V,二极管的发 热就不会超过低压交流的数 值，服务器电源 就都工作在 正常状态，结合 电压安全 等级和改造的可操作性，建议浮充电压在 DC260V 270V。1. 高压直流供电系统主要技术数据目前中移动在苏州干将路数据机房高压直流 供电的电源系统，是 首个提供业务使用（苏州移 动生 活网）的， 并先后在苏州 新区、园区 机房投 入使用。高压直流 供电系统 主要有交流 配电屏、高 压开关 电源整流机架、高压直流 配电屏和蓄电池组组 成。 整流机架的交流
19、输入 引自交流 配电屏，经机 架内并联 的整 流模块 组将 380V 的交流电源变为高压直流电， 再通过高压直流配电设备 供给数 据通信设备， 并同时为 蓄电池组进行充电，最后由 数据设备中的直流 直流变 换设备将高压直流电变 为12V、5V 等低压直流电直 接为数据设备中的电 子负载 所用。当交流输入电源故障时，则由蓄电池组经熔断器进行放电，再通过高压直流 配电设备 为数据通信设备提 供可靠的直流电源。高压开关电源整流机架主要技术指标：1) 高频开关整流器模块化2) 交流输入电压及范围3) 输入功率因数4) 效率5) 输入电流谐波分量6) 软启动性能7) 输出额定电压8) 输出电流 及限流特
20、性9) 杂音电压10)噪音11)告警性能12)模块均流特性13)蓄电池智能充电管理14)电磁辐射名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 15)绝缘性能16)自动控制性能17)输出稳压精度18)输出动态特性19)节能功能20)监控性能21)抗震性能22)高温环境适应性能23)接地24)可靠性 指标型号参数指标备注项目DC270V 输入电压380V15% 输入频率50HZ 系统输出电压DC270V 系统输出电流180A 稳
21、压精度0.5 稳流精度0.5 纹波系数0.1 转换效率92额 定 输 入电压，额定负载功率应数0.93 输出过压保护295V5V 输出欠压告警194V5V 输入过压保护AC465V 5V 可恢复输入欠压保护AC295V 5V 可恢复过温度保护85模块关机保护，降温后可恢复绝缘电阻10M 绝缘强度输出对地，输入对地，输入对输出施加AC2000电压，时间 1min 无飞弧无闪络相对湿度95环境温度-5 45噪声55db(智能风冷,无级调速) 39db(自冷) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -
22、- - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 柜体尺寸800（宽）600（深）2200（高）高压直流配电屏主要技术 指标：1) 直流输出分路2) 绝缘3) 接地4) 告警性能5) 抗震性能由于高压直流供电系统 在对数据设备 供电时的中间环节比传统 UPS 供电系 统简单，所以高压直流供电系统对 比传统 UPS 供电系统 具有独特优势，而这种 优势也是传统 UPS 供电系统 所无法取代的。五、结论目前 已在 高压直流系统中 主要投用的设备 名称有 IBM 服务器、DELL 服务 器、HP 服务器、CISCO路由器、华为交换机、HP及 LENOVO台式机、HP打印机
23、。随着数据通信与网络通信的高速发展，高压直流供电系统 将是一个具有发展前途的供电系统 结构。我们相信，随着电 力电子技术的 快速发展和 人们 对数据 机 房直流供电重要性的 认识 不断提升，具备额定电压为 220V 的直流通用 输入 的网络设备 在不远的将来成为主流，届时，数据机房的供电必将迎来一个崭新的局面。参考文献1. 数据通信电源 现状和高压直流 供电新系统 ，作者朱雄世，中 讯邮电咨询设计院2. 高压直流供电系统 取代 UPS 供电系统的 探讨 ，作者郭武，中国 移动通信集团设计院 有限公司3. 高压直流电源 分配电信设 施 ，作者福斯特，INTLEC.2008 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -
