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TWI575360B - 伺服器機櫃系統 - Google Patents

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Description

伺服器機櫃系統
本揭露是有關於一種伺服器機櫃系統，且特別是有關於一種具有電池備援單元之伺服器機櫃系統。
刀鋒型伺服器已廣泛地應用。將為數眾多的刀鋒型伺服器集合在機櫃系統中，稱為伺服器機櫃系統(rack server system)，可提升操作便利性。
在伺服器機櫃系統中之各刀鋒型伺服器可視為一台功能完整的電腦。換言之，各個刀鋒型伺服器除了設置核心電路(例如包括中央處理器、主機板、隨機存取記憶體及硬碟等)，更配置諸如電源供應器及散熱裝置等週邊裝置。
為避免市電萬一發生不穩定情形，導致伺服器的操作不穩定(比如當機)，甚至可能使得儲存於伺服器內的寶貴資料受到毀損，現可利用不斷電電源系統(UPS,uninterruptible power supply)來避免電源異常所造成的電腦資料損失與設備破壞，並可有效保護內部元件，確保設備之使用壽命與精確度。然而現有UPS的可靠度(reliability)不是很好。
故而，現又提出在伺服器機櫃系統中設置電池備援單元(BBU,battery backup unit)來取代/輔助UPS的做法，以期能到達低成本、效率高、穩定性佳。但是BBU何時得知市電斷電/不穩定，以及時提供電源給伺服器機櫃系統乃是重要關鍵。
當市電供應正常時，AC/DC電源供應器供應電源給伺服器機櫃系統，並對BBU進行充電。於市電斷電/不穩定時，AC/DC電源供應器停止供電並通知BBU，使得BBU提供電源給伺服器機櫃系統維持運作。故而，電源供應轉換(由AC/DC電源供應器供電轉換成由BBU供電)沒有間斷，方能使伺服器機櫃系統不受市電不穩定/斷電的影響。
然而，已知BBU技術缺點如下：
一、AC/DC電源供應器偵測市電是否斷電/不穩定，而BBU內部並無市電偵測線路。如果發生市電斷電/不穩定時，萬一AC/DC電源供應器無法正確告知BBU的話，將造成伺服器機櫃系統失效。
二、即便將市電偵測線路形成在BBU上，但是市電偵測不易。這是因為市電電源的波形通常為正弦波，所以偵測線路容易誤動作。
三、即便BBU不偵測市電，且將BBU直接並聯於伺服器機櫃系統。但是BBU的供電效率通常不高，亦造成伺服器機櫃系統的效率偏低。此外，如果BBU的儲能不足的話，當發生市電斷電/不穩定時，亦可能導致伺服器機櫃系統失效。
故而，本案提出一種伺服器機櫃系統及其BBU，以期改善現有技術的缺點。
本揭露實施例係有關於一種伺服器機櫃系統及其BBU，其不需直接偵測市電是否異常，但仍可及時讓BBU提供電源給伺服器。
根據本揭露之一示範性實施例，提出一種伺服器機櫃系統，包括：至少一伺服器；一電源供應器，耦接至該伺服器，於一輸入電壓正常時，該電源供應器轉換該輸入電壓成一第一輸出電壓以供應給該伺服器；以及一電池備援單元，耦接至該伺服器與該電源供應器，並偵測該電源供應器所輸出的該第一輸出電壓，以於該輸入電壓及/或該第一輸出電壓不正常時，該電池備援單元提供一第二輸出電壓給該伺服器。該電池備援單元將其本身狀態通知給該伺服器。
為了對本案之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第1圖顯示根據本案實施例之伺服器機櫃系統之功能示意圖。如第1圖所示，伺服器機櫃系統100包括：至少一個伺服器140與BBU150。伺服器140與BBU150之數量在此並不受限。變壓器110、發電機120、機架電源配電單元(PDU,power distribution unit)130、及交流(AC)/直流(DC)電源供應器160之數量、功能與其操作在本實施例中可不特別限定之。
於本實施例中，若市電發生斷電/不穩定，則BBU 150將提供電源給該些伺服器140。之後，發電機120會啟動，而將AC電源提供給AC/DC電源供應器160，AC/DC電源供應器160將AC電源轉換成DC電源之後，會更進一步提供DC電源給該些伺服器140。也就是說，於本實施例中，BBU 150提供電源的時間，原則上要從偵測市電不穩定的時間點到發電機120能正常啟動的時間點為止。
現請參考第2圖，其顯示根據本實施例之BBU150之方塊圖。如第2圖所示，BBU150包括：微控制器(μp)210、電壓偵測電路220、電池模組230、DC/DC轉換器240與阻隔電路250。
當市電AC_IN正常時，伺服器140的電源由AC/DC電源供應器160所提供。AC/DC電源供應器160位於伺服器機櫃系統100內。在此，以AC/DC電源供應器160輸出12.3V的DC電壓PSU_OUT為例做說明，但當知本案並不受限於此。
當市電AC_IN不正常/不穩定/斷電時，AC/DC電源供應器160的輸出DC電壓PSU_OUT無法維持於其原本預定值，且會下降。當電壓偵測電路220偵測到DC電壓PSU_OUT低於某一門檻值(比如但不受限於12V，此門檻值可依需求而調整)時，電壓偵測電路220會告知微控制器210。
於本實施例中，電池模組230與DC/DC轉換器240原則上處於正常操作狀態，不論市電AC_IN是否正常。另外，於市電AC_IN正常時，電池模組230可更被AC/DC電源供應器160的輸出DC電壓PSU_OUT所充電。
阻隔電路250當成開關，以導通/阻隔BBU150是否輸出DC電壓給伺服器。在此以阻隔電路250包括冗餘(OR-ing)二極體電路為例做說明，當知本案並不受限於此。比如，阻隔電路250可由邏輯電路(logic circuit)或電子式開關或機械開關或繼電器(relay)等組成，此皆在本案精神範圍內。如第2圖所示，阻隔電路250包括並聯的冗 餘二極體251與NMOS電晶體252為例。二極體251耦接於DC/DC轉換器240與AC/DC電源供應器160之間。NMOS電晶體252之閘極耦接於電壓偵測電路220，其汲極耦接至DC/DC轉換器240，其源極耦接至AC/DC電源供應器160。
當市電正常時，DC電壓PSU_OUT也為正常值，且其高於DC/DC轉換器240的輸出DC電壓。所以，阻隔電路250的二極體251並不導通。電壓偵測電路220控制NMOS電晶體252使其不導通。亦即，當市電正常時，阻隔電路250不導通。
然而，當市電AC_IN不正常/不穩定/斷電時，AC/DC電源供應器160的輸出DC電壓PSU_OUT會下降/消失。當DC/DC轉換器240的輸出DC電壓與AC/DC電源供應器160的輸出DC電壓PSU_OUT間之電壓差高於某一門檻值(比如0.3V)時，二極體251會導通，DC/DC轉換器240的輸出DC電壓經由二極體251而輸出成DC電壓BBU_OUT，以流至伺服器140。雖二極體251的壓降較大，但是DC電壓BBU_OUT仍能滿足伺服器140的所需電壓。
當電壓偵測電路220偵測到DC電壓PSU_OUT下降時，電壓偵測電路220會控制NMOS電晶體252使其導通。NMOS電晶體252的壓降小於二極體251的壓降。所以，DC/DC轉換器240的輸出DC電壓經由NMOS電晶體252而輸出成DC電壓BBU_OUT，以流至伺服器140。
當市電AC_IN回覆正常時，DC電壓PSU_OUT亦隨之回覆正常。當電壓偵測電路220偵測到DC電壓PSU_OUT回覆正常時，電壓偵測電路220會關閉NMOS電晶體252的閘極，以防止電流倒灌至BBU150。
如果BBU150內部元件(如DC/DC轉換器240等)有所損壞，於阻隔電路250的阻隔下，伺服器140不會受到不良影響。此外，即便是AC/DC電源供應器160的輸出DC電壓PSU_OUT突然異常地高，此異常高DC電壓會被阻隔電路250所阻隔，故而不會影響到BBU150。
第3A圖與第3B圖顯示AC/DC電源供應器的輸出DC電壓與BBU的輸出DC電壓。參考符號AC_FAIL代表市電斷電。於市電斷電AC_FAIL尚未出現前，伺服器140的所需電壓(SYS_V)由AC/DC電源供應器160的DC輸出電壓PSU_OUT所提供，不過，DC/DC轉換器250會一直提供DC輸出電壓DC_OUT但DC輸出電壓DC_OUT被阻隔電路250所阻隔而不會輸出給伺服器。當市電斷電AC_FAIL出現時，AC/DC電源供應器160的輸出DC電流/電壓逐漸變為0；BBU的輸出DC電壓BBU_OUT(其由DC/DC轉換器250所提供並經過阻隔電路250的壓降)則會提供電流/電壓給伺服器140，以避免伺服器140的操作受到不良影響。
另外，於本實施例中，比如但不受限於，使用鋰電池做為電池模組230中的儲能裝置，以縮小體積。另外，將BBU放於伺服器機櫃系統內，配線能量損失低。而且，BBU直接使用伺服器機櫃系統的機架及匯流排配線，不需額外 的機架，所以可降低配線成本。而且，BBU可就近偵測伺服器的電壓變化並自行判斷是否輸出電壓給伺服器。
而且，如上述，由於在BBU內部增加電壓偵測電路與微控制器，所以，BBU可自行來決定是否輸出電壓給伺服器。
另外，於本實施例中，將AC/DC電源供應器的輸出電壓調整為比如12.3V，而BBU的輸出DC電壓則為12V，彼此相差0.3V，以使得阻隔電路250的操作不易誤動作。
此外，於本案其他可能實施例中，BBU亦可接受由AC/DC電源供應器所提供的電源異常偵測信號，以達到系統穩定的雙重保障。當市電斷電時，AC/DC電源供應器輸出電源異常偵測信號給BBU。此外，BBU可藉由通訊介面(communication interface)將其本身狀態通知給伺服器機櫃系統。
更甚者，於本實施例中，BBU偵測DC電壓，亦即，BBU不需要偵測AC電壓，故而其架構較為簡單，且誤動作的機會降低。此外，如上述般，將AC/DC電源供應器的正常輸出DC電壓調整為高於BBU的正常輸出DC電壓。BBU在市電正常狀況下無輸出。當BBU偵測AC/DC電源供應器的輸出DC電壓為正常時，則BBU接受AC/DC電源供應器的充電(亦即BBU處於充電待機模式)。一旦AC/DC電源供應器的輸出DC電壓低於BBU的輸出DC電壓(也就是發生市電斷電)，BBU輸出電流供應給伺服器機櫃系統，保持伺服器機櫃系統效率及穩定性。
而且，BBU是否輸出電壓給伺服器是由BBU的阻隔電路來決定。一旦AC/DC電源供應器的輸出DC電壓偏低時，BBU會輸出電流給伺服器，故而，本實施例的BBU架構可與多種任何伺服器機櫃系統並聯。
而且，本實施例更具有下列特點。不需要直接偵測市電是否正常，即能使得BBU能發揮功效。由於BBU乃是偵測DC電壓，其電壓偵測技術簡單易達成。對於AC/DC電源供應器而言，由於其可不需額外偵測市電是否斷電，所以一般備援式的AC/DC電源供應器亦可使用。BBU內部的控制迴路穩定性高。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧伺服器機櫃系統
110‧‧‧變壓器
120‧‧‧發電機
130‧‧‧機架電源配電單元
140‧‧‧伺服器
150‧‧‧電池備援單元
160‧‧‧AC/DC電源供應器
210‧‧‧微控制器(μp)
220‧‧‧電壓偵測電路
230‧‧‧電池模組
240‧‧‧DC/DC轉換器
250‧‧‧阻隔電路
AC_FAIL‧‧‧市電斷電
DC_OUT‧‧‧DC/DC轉換器的DC輸出電壓
第1圖顯示根據本案實施例之伺服器機櫃系統之功能示意圖。
第2圖顯示根據本實施例之BBU150之方塊圖。
第3A圖與第3B圖顯示AC/DC電源供應器的輸出DC電壓與BBU的輸出DC電壓。
160‧‧‧AC/DC電源供應器
210‧‧‧微控制器
220‧‧‧電壓偵測電路
230‧‧‧電池模組
240‧‧‧DC/DC轉換器
250‧‧‧阻隔電路

Claims (7)

  1. 一種伺服器機櫃系統，包括：至少一伺服器；一電源供應器，耦接至該伺服器，於一輸入電壓正常時，該電源供應器轉換該輸入電壓成一第一輸出電壓以供應給該伺服器；以及一電池備援單元，耦接至該伺服器與該電源供應器，並偵測該電源供應器所輸出的該第一輸出電壓，以於該輸入電壓及/或該第一輸出電壓不正常時，該電池備援單元提供一第二輸出電壓給該伺服器；該電池備援單元包括：一電壓偵測電路，偵測該電源供應器所輸出的該第一輸出電壓；一微控制器，耦接於該電壓偵測電路；一電池模組，耦接於該電源供應器；一轉換器，耦接於該電池模組；以及一阻隔電路，耦接於該轉換器與該電壓偵測電路；其中，當該輸入電壓不正常/不穩定/斷電時，該阻隔電路為導通；以及於該輸入電壓正常時，該阻隔電路為阻隔；其中，該電池備援單元將其本身狀態通知給該伺服器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服器機櫃系統，其中，當該輸入電壓不正常/不穩定/斷電時，該電源供應器 所輸出的該第一輸出電壓不維持於一預定值，且會下降；當該電壓偵測電路偵測到該第一輸出電壓下降至低於一第一門檻值時，該電壓偵測電路告知該微控制器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之伺服器機櫃系統，其中，該阻隔電路包括並聯的一冗餘二極體與一NMOS電晶體，該冗餘二極體耦接於該電源供應器與該轉換器之間，該NMOS電晶體受控於該電壓偵測電路；當該輸入電壓正常時，該第一輸出電壓高於該轉換器之一輸出電壓，使得該冗餘二極體不導通，且於該電壓偵測電路的控制下，該NMOS電晶體不導通。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之伺服器機櫃系統，其中，當該輸入電壓不正常/不穩定/斷電時，該第一輸出電壓下降/消失，使得該冗餘二極體導通，該轉換器的該輸出電壓經由該二極體而輸出為該第二輸出電壓，以流至該伺服器；以及當該電壓偵測電路偵測到該第一輸出電壓下降至等於或低於該第一門檻值時，該電壓偵測電路控制該NMOS電晶體為導通，使得該轉換器的該輸出電壓經由該NMOS電晶體而輸出為該第二輸出電壓，以流至該伺服器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之伺服器機櫃系統，其中，該電池模組包括鋰電池。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之伺服器機櫃系統，其中， 該電池備援單元接受由該電源供應器所提供的一電源異常偵測信號，當該輸入電壓不正常/不穩定/斷電時，該電源供應器輸出該電源異常偵測信號給該電池備援單元；以及該電池備援單元藉由一通訊介面將其本身狀態通知給該伺服器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之伺服器機櫃系統，其中，於該輸入電壓正常時，該電源供應器充電該電池模組。
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