精衛蓄電池6-GFM-120YT 12V120AH參數尺寸

圖10是微軟的12V電池BBU集中式市電直供方案,微軟在2010年推出該ITPAC的機柜服務器供電方案,從概念圖上看,機柜采用集中電源供電,并在12V母排集中掛鋰電池備份方案。分為上半區和下半區單獨供電,單機柜達到18.6kW功率給96臺服務器供電。選用的4.5kW服務器電源也是高效率的電源模塊,通過12V集中母排給服務器子機單元供電。市電正常時,直接給設備供電,市電中斷時,靠鋰電池短時間放電過渡,直至柴油發電機起動承擔全部負載。

精衛蓄電池6-GFM-120YT 12V120AH參數尺寸
(3) 隨著功率增加,12V將不再適合于數據中心

從前面的兩個案例可以看出,不管是Google的12V帶電池分布式小UPS供電方案,還是微軟的12V鋰電池BBU半集中式供電方案,都實現了市電直供近100%的供電效率。但12V電池要么直接掛在IT設備內,要么就安裝在服務器機柜內,主要的目的都是為了盡量減少12V低壓供電的傳輸損耗。谷歌12V分布式供電雖然12V傳輸損耗較小,但電源和電池數量大、成本高、電源負載率、效率偏低;而微軟的12V集中式供電的電源和電池數量少、成本稍低、負載率高、電源效率高,但12V傳輸損耗大,兩者都存在一定不足。

隨著業界IT機柜功率的不斷增加,以及對能效的更高要求,12V低壓傳輸損耗及成本會成為嚴重的限制。例如,對于12kW的機柜,如果采用12V集中單母線供電,那么供電電流可以高達1000A,假設電源插框和母線等的接觸電阻為1mΩ,僅接觸電阻的損耗也會高達1kW,若算上銅排上的大電流傳輸損耗及電源插框的電源轉換效率損耗,總損耗高達3～4kW。而采用較高電壓的48V供電方案,則可以大大降低傳輸及接觸電阻損耗,且48V電源的效率也比12V電源的效率高2%以上,圖11為兩者損耗對比分析。采用12V集中供電方案,機柜的總功率不宜超過6～8kW,如果超過10kW以上,傳輸及接觸電阻損耗就會很大。而采用48V供電方案則沒有這個問題,整機柜的總功率可以高達30kW以上,傳輸及接觸損耗都可以做到較小。

當然采用類似前面微軟的做法,將總功率分散在兩個甚至更多的電源插框中,可以減少母線電流,但仍會帶來更多電源插框占用寶貴機柜空間,以及更多電源和電池帶來更大投資成本等問題。

后,對于12V低壓市電直供,還存在電源及電池BBU設計挑戰的問題,畢竟通常允許5%的電壓波動,以及至少幾分鐘電池掉電備份時間要求等,對于電源及電池的設計和選擇都是很大挑戰。總體而言,目前業界采用12V直掛電池市電直供方案的用戶較少,且在未來會逐步往48V市電直供技術方向上發展。

 5 面向未來的48V市電直供架構

如圖12所示,從電網側到CPU的整個供電路徑上,采用傳統12V供電方式帶來的供電損耗會比采用48V供電方式的損耗高出很多,特別是在未來高功率密度應用場合,12V已經不再適宜采用了。48V市電直供方案在通訊行業已經非常成熟,只是傳統的48V供電方案是集中式電源系統,而未來發展的48V市電直供方案是分布式電源和IT融合的方案,電源和電池就近放在IT機柜邊上,甚至放到IT機柜內部,大大減少供電傳輸損耗及線纜投資等。且允許48V電池電壓有個很寬的波動范圍,電池備電時間也可以得到較大提高。目前,48V電源率也高達97%以上,成本也比12V電源要低得多,是個低成本高效率的解決方案,帶來的問題是部分IT設備需要定制。但目前在數據中心行業,很多IT設備及基礎設施都已經實現了48V供電架構,推動起來難度比采用380V高壓直流要小很多,目前業界已經有較多互聯網等公司已采用48V供電架構了。

(1)Facebook的48V半集中供電及下一代架構

從Facebook的公開資料上看,采用了分布式服務器電源加分布式48V電池的方案,每臺服務器配一個277Vac和48Vdc雙輸入、單輸出為12.5V的定制電源。其中,277Vac接口直接接到市電交流PDU上,而48Vdc接口連接到48V直流PDU。市電正常的時,市電直供,48V電池作為后備,當市電異常或者中斷時,48V電池瞬間放電短時備份,直至柴油發電機起動承擔負載。

在實際的物理布局上,由于分布式48V備份電源不能長距離傳輸供電,因此電池就近擺放在IT機柜邊上,每個電池柜覆蓋6個IT機柜。如前面所述,市電正常情況下市電承擔了全部負載,所以48V電源只作為充電器使用,保證對備份電池的充電即可,因此48V電源只是個小充電插框,直接放置在電池柜頂部即可,如圖13所示。

Facebook的這個市電直供48V備份方案由于采用的是鉛酸電池作為后備,考慮鉛酸電池的功率密度低、對溫度敏感且存在漏夜等風險,因此把電池放在了IT機柜之外但靠近IT機柜安裝。其每個市電+48V雙輸入服務器電源內部實際還是兩個電源并聯在一起,數量多,定制成本高等,投資造價還是很大,所以在后續的整機柜版本中Facebook改用了電源更少的集中電源插框方式供電。且隨著電池技術的發展,比如更高密度、放電能力及高溫特性更好的鋰電池等價格下來,那么電源及電池會更為分布,直接從IT機柜外轉移到IT機柜內部,如OpenRack的V2.0版本。

如前面的12V供電分析,Facebook的這個V2版本雖然電源適當集中,且電池和電源就近匹配安裝,但單機柜內仍采用了三個電源插框,以及多根供電母線排等,并沒有解決電源數量多,12V低壓傳輸損耗大等問題。而48V供電架構,可以只用一個電源插框及一根母線排搞定,且48V鋰電池包較為成熟且容易設計,因此這個V2應該只是個過渡版本,未來一定會向48V供電架構切換(數據中心基礎設施可以基本保留不變,只是將電池柜替換成整機柜即可完成升級)。

圖14為市電轉48V再直接降壓到1.2V的供電架構,如前述,具有*的供電效率,且很低的傳輸損耗,技術成熟度高,且可選的供應商非常多,因此已經是未來數據中心的供電架構方向。據不可靠資料,目前業界的Google、Amazon和思科等公司已經在采用此方案。當然,這個架構的不足之處在于需要修改傳統服務器主板上的12V輸入供電,改用48V輸入供電,但技術難度很小,比如很多刀片服務器、網絡板卡等都是48V輸入供電。且對于服務器白牌化、深度定制的今天,對于前述互聯網*而言,定制48V輸入供電的服務器已經*不是問題了。