专利名称：备用电源与服务器系统中的主板的直接连结的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及功率电子学，并且更具体地，涉及对于数据中心中的多个服务器和/或其他关键电设备提供备用电源。
背景技术：
机构经常采用数据中心来管理其数据处理和其他计算需要。数据中心通常容纳许多机架的服务器，这些服务器一起执行单个机器所不能执行的处理任务。数据中心的角色对于机构而言经常是关键的，并且数据中心的停机时间可能对该机构以及依赖于该数据中心的其他人导致严重的后果。由于电源故障比较常见，所以数据中心使用电源备用系统来处理来自公用服务的电源供应的中断，否则该中断将导致停机时间。一种被设计用于向计算资源提供紧急电源的电源备用系统被称为不间断电源 (UPS)。在典型的数据中心部署中，UPS被放置在来自公用服务的输入电源端子与数据中心中的一个或多个功率配送单元之间，服务器连接到这些功率配送单元。当公用电源正常工作时，UPS使用公用电源的一部分来为该UPS内的电池充电，它使用内部整流器将来自公用服务的AC功率转换为DC功率以便为电池充电。来自公共服务的电源的其余大部分被继续传送以供站点使用。如果公用电源发生中断，则UPS通过使用逆变器将存储在其电池中的 DC功率转换为AC功率，以向站点提供暂时备用电源。该暂时电源在短时间段中可用，这允许接通辅助电源(诸如，发电机)或允许设备安全地关闭，从而避免灾难性的损失。因为由UPS中的整流器和逆变器执行的功率转换相对低效，所以UPS过程可能导致高达10-12%的功率损失。对于大型数据中心而言，该低效可能是非常严重的。这不仅是浪费电功率以及关联的成本，而且还在UPS处产生热从而需要附加的电功率来使用空调系统以消除附加的热。因此，期望完全消除对UPS系统的需要，同时仍然向关键的电气设备提供备用电源。对UPS的一种替代方案是在数据中心中的每个主板上放置备用电池。虽然备用电池可以在公用电源故障的情况下供应电源，但是这种设计具有若干缺点。例如，将电池定位在主板上增加了服务器的冷却需求，这是因为必须确保电池不会达到较高的温度。该设计还需要很多电池(每个服务器主板一个电池)，这增加维护成本以及为了保证备用电源系统可靠的监视需求。最后，对于大量的电池，这些电池中的至少一些的故障可能性更大，但该设计不提供电池故障情况下的冗余。
发明内容
本发明的实施例通过将DC电源直接连结到多个服务器的主板以避免对不间断电源(UPS)的需要。在一个实施例中，站点包括一个或多个功率配送单元，其被耦合以接收例如来自站点变压器的AC电功率，该站点变压器被耦合以接收来自公共服务的电功率。站点包括多个服务器，其包括主板和电源，该电源用于将来自功率配送单元的AC电功率转换为 DC电功率，以供主板上的电组件消耗。该系统还包括用于向多个主板提供DC电功率的备用电源。在来自公用服务的电源故障的情况下，备用电源在一时间段中提供电源，这例如允许辅助电源被接通。在一个实施例中，备用电源包括一组电池，可以例如通过将电池远离服务器定位而将该组电池与服务器热隔离。在另一实施例中，备用电源提供高于服务器所需电压的DC 电压，并且服务器包括DC/DC调压器电路以将DC电压转换为该服务器所使用的较低电压。 较高的电压允许备用电源与服务器之间的导体中的较低电流，这导致导体中的较少功率损失和/或功率传输所需的较小导体。在另一实施例中，使用服务器处的控制电路对备用电源进行集中监视和控制，从而更便利地对其进行维护。
图1是根据本发明的实施例的具有用于多个服务器的备用电源的示意图。图2是根据本发明的实施例的机架安装服务器系统的示意图。图3是根据本发明的实施例的备用电源的示意图。图4是根据本发明的实施例的服务器的示意图。附图仅出于说明的目的而描绘本发明的多种实施例。本领域技术人员将容易地从以下讨论中看出，可以采用这里说明的结构和方法的可替代实施例，而不从这里所描述的本发明的原理偏离。
具体实施例方式图1示出了一个示例电系统，用于向位于诸如数据中心之类的站点处的若干服务器40供电。在此使用的服务器40 (或服务器计算机)是被设计用于通常与安装在服务器上的恰当软件结合从而向客户端提供计算服务的任何硬件设备。因此，在此公开的技术可以被用于向任意类型的如下硬件设备提供电源，这些硬件设备依赖于来自电源公用服务的电功率，并且由此会经历偶尔电源中断的危险。公用服务经常以高于用户端所使用电压的电压来传输和传送AC功率。因此，如图 1中所示，站点变压器10接收来自公用服务的AC功率，并且对电压进行降压以便在站点处使用。站点变压器耦合到若干功率配送单元30，其在整个站点中配送电功率。在诸如数据中心中的典型工业部署中，功率配送单元30将来自公用服务的高电压和电流降低到更常用的电平(例如，从480VAC到208VAC和/或120VAC的多个插座)。站点处的电子装置被插入(或以其他方式电耦合)功率配送单元30以接收AC电功率。在所示出的数据中心例子中，多个服务器40被插入一个或多个功率配送单元30中。由于公用服务所提供的电源可能经历偶尔的中断，所以图1中所示的系统包括备用电源系统。替代使用UPS,该系统包括发电机20和用于将DC功率从备用电源50直接连结到服务器的机制。在来自公用服务的电功率故障之后，发电机20被激活。然而，备用发电机20在它可以向系统提供AC电功率之前需要一定的启动时间。因此，在发电机20正在启动的同时，备用电源50向服务器40直接提供DC电功率。在一些实施例中，服务器40被部署在机架安装的系统中，其中多个机架中的每个包含多个服务器40。图2图示了一组机架安装的服务器的例子。机架提供与服务器40的机械接口，服务器40由机架固定就位。机架还提供与服务器的电接口，包括电源线和通信总线。在一个实施例中，机架包括连接到诸如站点处的功率配送单元30的AC电源的插头。 插头被耦合到沿机架延伸的导体，形成与每个已安装服务器的电连接，从而向每个服务器提供AC电功率。机架还包括用于提供来自备用电源50的DC电功率的电导体。如图2中所示，备用电源50耦合到服务器40的一个机架。然而，应当理解，备用电源50可以连接到任意数目的机架，并且多个备用电源50可以耦合到相同的机架。在一个实施例中，备用电源50包括一个或多个电池。图3图示了包括多个电池55 的备用电源50的实施例。在此例中，备用电源50包括两组串联耦合的四个电池55，并且这两个组被并联耦合。并联电池阳在备用电源50中的一个电池故障的情况下提供后备。 例如，如果一串电池中的一个电池故障，则备用电源50仍然可以提供来自另一串的DC电功率。即使在没有故障的情况下，两个并联串的电池阳有益地提供附加的能量存储，从而使得备用电源50可以在其电池55耗尽电力之前操作更长时间。其他实施例可以在备用电源 50中包括电池55的不同的数目和布置。在一个实施例中，备用电源50被配置为提供高于服务器40所使用电压的DC电压。典型的计算机硬件使用一个或多个DC电压，诸如12VDC、5V⑶和/或3. 3VDC。如果备用电源50的电池55是12VDC(诸如，标准车载电池)，则串联的四个电池55实现来自备用电源50的48VDC的输出电压。在一个实施例中，该较高的电压在导体中被传输到服务器， 然后在每个服务器处被降低到服务器所需的适当电压水平。较高的电压允许备用电源与服务器之间的导体中的较低电流，这实现了导体中的较小功率损失和/或功率传输所需的较小导体。图4示出了服务器40的一个实施例，其通常包括至少一个主板110以及AC/DC电源120。主板110可以包括诸如CPU、存储器和其他电路之类的标准电组件，并且主板可以连接到诸如硬盘和其他外围设备之类的其他辅助设备。AC/DC电源120耦合到输入AC电源， 并且被配置为将AC电功率转换为DC电功率。AC/DC电源120可以产生主板110所需要的一个或多个不同的DC电压。 为了为主板110提供备用电源，来自备用电源50的导体也被耦合到主板110。图4 图示了本发明的一个实施例，其中备用电源50提供高于主板110所使用电压的电压。在该实施例中，DC/DC调压器130将较高的DC电压转换为一个或多个较低的电压以供主板110 使用。在备用电源50提供的功率与主板110所需功率相同的实施例中，备用电源50可以直接连接到主板110而无需使用DC/DC调压器130。虽然DC/DC调压器130被示出为分离的组件，但该功能可以并入到主板110上的电路中，可以并入到AC/DC电源120中，或者可以由服务器40外部的设备提供。此外，一个DC/DC调压器130可以服务于多个主板110和 /或多个服务器40。 服务器40还包括控制电路140，其执行多个有用的功能，在一个示例中，控制电路 140被耦合以测量从备用电源50向DC/DC调压器130的输入电压。这允许控制电路确定备用电源50的电压是否太低，这在备用电源50中的电池55中的电荷较低的情况下可能发生。控制电路140还可以被耦合以测量从DC/DC调压器130向主板110中的输出电压。由于向主板110的该输入电压还被连接到电源120的输出，所以该输出电压线还允许控制电路测量电源120的输出电压。在另一实施例中，控制电路140包括去往DC/DC调压器130的控制线，用于发送“调压器使能”信号，这允许控制电路接通或断开DC/DC调压器130。在断开模式中，DC/DC调压器130可以防止电源通过它从备用电源50被传送到主板110或者从主板被传送到备用电源50。在一个实施例中，当公用电源在正常状况下工作时，控制电路140通过禁用DC/DC 调压器130将备用电源50从主板110断开。有益地，这可以防止电流从主电源120回流到备用电源50。当DC/DC调压器130被禁用时，输出电压信号测量电源120的输出电压。因此，控制电路140可以基于输出电压信号来检测来自电源120的电功率的故障(例如，当输出电压降低到预定阈值以下时)。备选地，控制电路140可以具有独立的线路用于测量电源 120的电压。当检测到故障时，控制电路140启用DC/DC调压器130，其开始提供来自备用电源50的DC电功率。当控制电路140确定电源120再次产生充足的电压(例如，因为发电机20已经启动或公用服务恢复接通)时，控制电路可以禁用DC/DC调压器130。在一个实施例中，当测量到的备用电源50的电压较低时，控制电路140将主板110 从备用电源50断开。这防止了备用电源50在其不具有充足的电荷时被投入使用。在另一实施例中，当控制电路140检测到备用电源50的电压较低时，控制电路140促使电流的注入，以便对备用电源50中的电池55充电。在不同实施例中，用于对电池55进行充电的电流可以来自多种源。例如，备用电源50可以耦合到AC/DC电源120，使得当AC电源正在工作时，AC/DC电源120所提供电流的一部分被转给备用电源50并且被用于对其中的电池55充电。控制电路140可以被配置为当要执行充电时提供从AC/DC电源120到备用电源50的路径。在另一实施例中，如图3 中所图示，外部充电系统60被用于对电池55充电。在该实施例中，响应于确定备用电源50 的电压较低，外部充电系统60被激活以在电源线上提供电流从而对备用电源50中的电池充电。可以使用其他多种机制对电池阳充电，或者可以根据需要物理上替换电池阳。在另一实施例中，控制电路140例如使用在局域网上承载数据的串行通信线而被耦合到中央监视系统。控制电路可以收集关于服务器和备用电源50的操作的数据，然后将该信息报告回中央监视系统。所报告的信息可以包括备用系统被调用的时间的报告。控制电路140还可以报告关于备用电源50的诊断，从而允许系统操作员更容易地确定何时替换、维修或充电备用电源50。在一个实施例中，备用电源50被耦合到与电源120的输出相同的线路，并且来自备用电源50的电压被浮置或保持恰好在电源120的电压之下。以此方式，当来自电源120 的电压下降时，备用电源50将接管并且向主板110提供电源，而无需控制电路140。在该实施例中，可以包括诸如二极管之类的机制用以防止电流从电源120流到备用电源50。已经出于示出的目的而呈现了本发明的实施例的以上描述；这不意图是穷尽的或将本发明限制于所公开的精确形式。相关领域技术人员可以理解，鉴于以上公开，许多修改和变化是可能的。本说明书的一些部分就在信息上的操作的算法和符号表示而言描述了本发明的实施例。这些算法描述和表示被数据处理领域技术人员常用于向该领域其他技术人员传达其工作的实质。这些操作虽然被功能地、计算地或逻辑地描述，但被理解为通过计算机程序或等效的电路、微码等来实施。进一步地，将这些操作的布置指为模块有时被证明是便利的而不丧失一般性。所描述的操作及其相关联的模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组A由
π Π^ ο这里所描述的任何步骤操作或过程可以利用单独的或与其他设备组合的一个或多个硬件或软件模块来执行或实施。在一个实施例中，利用包括计算机可读介质的计算机程序产品来实施软件模块，所述计算机可读介质包含计算机程序代码，所述计算机程序代码可以被计算机处理器执行以执行所描述的步骤、操作或过程中的任何或全部。最后，原理上出于容易性和指导性的目的而选择说明书中所使用的语言，并且该语言未被选择为描绘或限定发明主题。因此意图本发明的范围不由该详细描述限制，而是由在基于该描述的申请上发布的任何权利要求来限制。据此，本发明的实施例的公开意图示出而非限制本发明的范围，本发明的范围在所附权利要求中陈述。
权利要求
1.一种服务器系统，包括功率配送单元，被耦合用以接收AC电功率；多个主板，每个主板包括多个电组件；多个电源，每个电源被耦合到所述功率配送单元并且被耦合到一个或多个所述主板， 其中每个电源被配置用于接收来自所述功率配送单元AC电功率以及向所述主板提供DC电功率；以及备用电源，被配置用于提供DC电功率，所述备用电源被耦合用以向所述主板提供DC电功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源与每个所述主板热隔离。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源包括串联耦合的多个电池，用以提高备用电源电压。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述备用电源包括并联耦合的多个电池，用以在电池故障的情况下提供冗余。
5.根据权利要求1所述的系统，其中由所述备用电源供应的DC电功率被保持为由所述电源提供的DC电功率的电压之下的电压。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括站点变压器，被耦合用以接收来自公用服务的电功率，并且被耦合用以向所述功率配送单元提供AC电功率，其中所述站点变压器被配置用于将接收自所述公用服务的电功率变压为较低的电压。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述站点变压器在无需不间断电源(UPS)的情况下被耦合到所述功率配送单元。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括发电机，被耦合在站点变压器与所述功率配送单元之间，其中所述发电机被配置用于响应于来自公用服务的电功率的故障而激活。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括多个DC/DC调压器，每个DC/DC调压器被耦合在所述备用电源与主板之间，其中所述 DC/DC调压器被配置用于将来自所述电源的DC电功率转换为较低的电压。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括多个控制电路，每个控制电路被配置用于监视所述备用电源的电压。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制电路被配置用于在所述备用电源的电压低时将一个或多个所述主板从所述备用电源断开。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制电路被通信地耦合到中央监视系统。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括多个控制电路，每个控制电路被配置用于响应于来自与一个或多个所述主板相关联的所述电源的电功率的故障而将所述备用电源耦合到该主板。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个控制电路，被配置用于将至少一个电源耦合到所述备用电源，以使用来自所述功率配送单元的AC电功率对所述备用电源进行充电。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括外部充电系统，被耦合到所述备用电源并且被配置用于响应于需要对所述备用电源充电的指示而对所述备用电源进行充电。
16.一种服务器系统，包括多个服务器，每个服务器包括主板，具有多个电组件；电源线，被耦合到所述电组件以用于接收DC电功率以及将所述DC电功率供应给所述主板上的所述电组件，以及电源，被配置用于将AC电功率转换为DC电功率，所述电源被耦合到所述主板用以向所述电组件提供DC电功率；以及导体，被电耦合到每个所述服务器的所述电源线，用于向所述多个服务器供应备用DC电功率。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括备用电源，被耦合到所述导体，并且被配置用于向所述导体提供DC电功率。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述备用电源与所述服务器热隔离。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述备用电源包括串联耦合的多个电池，用以提高备用电源电压。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述备用电源包括并联耦合的多个电池，用以在电池故障的情况下提供冗余。
21.根据权利要求16所述的系统，其中由所述备用电源供应的DC电功率被保持为由所述电源提供的DC电功率的电压之下的电压。
22.根据权利要求16所述的系统，其中每个服务器包括被耦合在所述导体和所述主板之间的DC/DC调压器，所述DC/DC调压器被配置用于将DC电功率转换为较低的电压。
23.根据权利要求16所述的系统，其中每个服务器包括控制电路，被配置用于监视所述导体上的DC电压。
24.根据权利要求23所述的系统，其中每个控制电路被配置用于在所述导体上的电压低时将所述主板从所述导体断开。
25.根据权利要求23所述的系统，其中每个控制电路被通信地耦合到中央监视系统。
26.根据权利要求16所述的系统，其中每个服务器包括控制电路，被配置用于响应于来自与一个或多个所述主板相关联的所述电源的电功率的故障而将所述导体耦合到该主板。
27.一种用于向服务器系统供应备用电源的方法，所述方法包括在站点处接收来自公用服务的AC电功率；向位于所述站点的多个服务器供应接收的所述AC电功率；将所述服务器耦合到备用电源；以及响应于来自所述公用服务的所述AC电功率的故障，从所述备用电源向所述服务器供应DC电功率。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括将所述备用电源与每个所述服务器热隔离。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括响应于来自所述公用服务的所述AC电功率的故障，激活发电机；以及在所述发电机的启动时段之后，向位于所述站点的所述多个服务器供应来自所述发电机的AC功率。
30.根据权利要求27所述的方法，还包括在每个所述服务器处，将来自所述电源的DC电功率转换为较低的电压。
31.根据权利要求27所述的方法，还包括 监视所述备用电源的电压；以及将监视的电压传送给中央监视系统。
32.根据权利要求27所述的方法，还包括当所述备用电源的电压低时，将一个或多个主板从所述备用电源断开。
全文摘要
通过将来自备用电源的DC电压直接连结到数据中心中的多个服务器的主板，消除了数据中心中对不间断电源(UPS)的需要。从电源公用服务接收的AC功率被站点变压器转换为较低的电压，继而被提供给站点处的一个或多个功率配送单元。功率配送单元将功率供应给多个服务器，服务器包括将AC电功率转换为DC电功率以供服务器主板使用的电源。如果来自公用服务的电源发生故障，则备用电源例如在足够的时间内向主板提供DC电功率，以启动发电机以代替公用服务而提供功率。
文档编号H02J9/00GK102474129SQ201080033507
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月14日 优先权日2009年7月24日
发明者A·M·迈克尔, S·H·帕克 申请人:费斯布克公司