本文概述了OCP ORV3 (Open Compute Project Open Rack Version 3) BBU (battery backup unit)的系統需求。它強調了擁有一個高效智能的BBU的重要性，它可以在停電時提供能量。此外，它還將展示為滿足書面規范而開發的數字設計解決方案、電氣和機械解決方案及其架構。

介紹

數據中心為互聯網提供動力，連接著世界各地的社區。Facebook、Instagram和X(以前稱為Twitter)等社交媒體公司依靠數據中心進行信息傳播和存儲，而雅虎(Yahoo!谷歌則利用數據中心為其主要搜索引擎和存儲功能提供動力。世界上幾乎所有的大公司和政府機構都需要可靠的數據中心功能，以便通過智能計算、存儲和搜索來操作和維護其主要業務功能。隨著用戶數量的逐年增長，數據中心容量繼續以驚人的速度增長，以跟上需求和技術改進的步伐。隨著這些增長需求的增加，數據中心系統架構也必須跟上步伐。

OCP是一個共享數據中心設計的組織，其系統架構定義基于開放計算項目開放機架版本2 (OCP ORV2)，其中背板電壓名義上為12v，系統功率為3kw。另一方面，使用量的增加會導致功率需求的增加，使12v系統功率需求過高，從而損害整體系統性能。為了解決這個問題，在系統功率保持不變的情況下，將背板電壓增加到48 V，從而最大限度地減少所需的電流和銅走線，并減少背板中的散熱。這種變化提高了整體系統效率，減少了對復雜冷卻系統的需求。這是新的開放機架版本3標準OCP ORV3的基礎。

數據中心的可靠性是一個基本的操作需求。BBU模塊的加入為系統提供了冗余功能。在停電或電力不足的情況下，系統需要時間來注意到情況，保存重要數據，并將操作轉移到另一個數據中心服務器，很可能在不同的數據中心設施和位置。這必須以無縫的方式完成。在每個機架中使用備用電源系統來調節系統的保持功率。在最新的標準ORV3 BBU中，這種需求被定義為基于鋰離子電池的電力存儲和調節，每個BBU單元的15 kW功率輸出等于系統運行4分鐘。

本規范為Devices提供了完成和設計參考設計解決方案的指南，該解決方案包括用于專用于充放電操作的單電路的雙向功率轉換器，電池管理系統(BMS)設備，具有固件和GUI支持的板載設計系統主機微控制器，以及通過與OCP組織合作的硬件放大。

設計要求和硬件實現

作為OCP組織提供的規范(修訂版1.3)，它將概述概念化和設計所需的要求，以滿足BBU模塊標準。BBU模塊參考設計基于ORV3 48v方案，由帶BMS的電池組、充放電電路和其他功能模塊組成，如圖2所示。

除了電路要求外，BBU模塊在其使用壽命期間還需要具備以下幾種主要的工作模式:

• 休眠模式:BBU模塊在運輸或庫存中，或未連接在活動母線上時，可以將電池放電電流降至最低，從而延長存儲時間。在休眠模式下，無法進行BBU監控或上報。當檢測到母線電壓大于46v時，BBU將喚醒并退出休眠模式;100毫秒和<200ms, PSKILL信號低。

• 待機模式:BBU模塊充滿電且處于正常狀態，持續監測母線電壓，為放電事件做好準備。BBU模塊在使用壽命的大部分時間內都工作在該模式下。BBU模塊的狀態和參數可以通過通信總線在上游機架監控上顯示。

• 放電模式:當母線電壓降至48.5 V以下時;2ms, BBU模塊放電模式激活。BBU模塊接管母線電壓的時間為2ms，備電時間為4min。

• 充電模式:在滿足所有條件的情況下，BBU模塊開啟內部充電器電路為電池組充電。充電電流可根據電池容量之前的放電深度在0 ~ 5.5 A之間任意設置。它還允許上游系統通過通信總線覆蓋充電電流。根據計算出的充電電流，應有一個充電超時控制方案。

• SOH (State of health check)模式:BBU模塊通過對電池組進行強制放電，對電池組容量進行例行測試。BBU模塊每90天進行一次SOH測試，以確定電池的EOL狀態。

• 系統控制方式:BBU允許上游系統通過通信總線控制充放電操作。

除了BBU模塊的運行要求外，OCP還規定了電池包容量、電池單體類型和電池包配置的標準。這些是:

• 電池包容量:BBU模塊支持4年不超過4分鐘的備用電源，可提供3kw的備用電源。

• 電池單體類型:建議采用18650鋰離子電池，電池單體電壓為3.5 V ~ 4.2 V，電池容量不小于1.5 AH，持續額定放電電流為30a。

• 電池組配置:BBU模塊的電池組配置為11S6P(6個電池并聯串，每串11個電池串聯)。

BBU模塊還需要具備電池充放電算法、保護、控制信號和通信接口等BMS。BMS還負責具有電池平衡電路，其中電池組上的電池電壓保持在±1% (0.1 V)以內。

參考設計框圖(參見圖3)顯示了選定的部件，并集成了為某些任務指定的各種元件，并構建了能夠提供不間斷電源、確定模塊健康、故障和模塊通信的電路。LT8228是一個雙向同步控制器，安裝在BBU模塊內。該設備在線路電源中斷的情況下提供電源轉換，在非故障運行期間提供電池充電器。LT8551是一款4相同步升壓dc - dc擴相器，與LT8228串聯工作，可將每個BBU模塊的放電功率容量增加到3 kW。除了電源轉換ic外，BBU模塊還集成了MAX32690，這是一款超低功耗Arm 微控制器，負責整個系統的運行。LTC2971是一個2通道電源系統管理器，用于電源路徑的精確傳感和故障檢測，以及關鍵的電壓下降功能。MAX31760是一款精密風扇轉速控制器，用于在充放電操作期間執行系統冷卻。EEPROM作為數據存儲，允許用戶恢復BBU模塊在其服務時間內的任何可用數據。除了電源轉換器和管家微控制器外，設計中還包括BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多電池監測器，用于監測電池電壓水平，而其固有的庫侖計數器用于確定充電狀態(SOC)和SOH水平，用于電池平衡和電池預期壽命計算。電池健康狀態監測過程由MAX32625完成，MAX32625是一個超低功耗Arm微控制器。這兩個微控制器都經過精心挑選，以降低總功耗，從而延長電池壽命在BBU休眠模式操作。

除了提供的部件外，該參考模塊還生產和構建BBU模塊(見圖4a)和BBU機箱(見圖5)，以容納和演示參考設計，符合OCP ORV3 BBU模塊和機箱機械規范。BBU機箱包含6個BBU模塊槽位，單個BBU機箱可提供最大18kw的備用電源。

機械渲染和氣流模擬是BBU模塊參考設計的兩個架構優勢。首先，包括允許精確和吸引人的表示的可視化。機械結構分析可以及早發現設計問題和潛在的變化，這有助于整個設計過程。最后但并非最不重要的是，它可以減少對實際原型的需求，這可能是耗時和昂貴的。此外，氣流模擬可以提供性能分析，幫助識別潛在的問題，并提高設計效率。它還通過幫助識別熱點、優化熱損失和提高整體系統可靠性來處理熱管理。此外，為安全性和合規性規劃電池組空間有助于降低風險。更多信息請參見圖4b。

數據與結果

下面給出的測試結果包括穩態性能測量、功能性能波形、溫度測量和操作轉換。在BBU模塊參考設計下，測試了以下配置:

性能數據

效率和功耗

BBU模塊參考設計能夠超越ORV3 BBU規格中指定的效率和功耗限制。放電和充電限制分別設置為97%和95%。在放電運行期間，半負荷(31.6 A)時的平均效率為98.5%，滿載(63.2 A)時的平均效率為98%。在更大電感的影響下，較低的mosfet漏源導通電阻和精心選擇的開關頻率將提供高效率和減少紋波電流。此外，BBU模塊在5a負載下充電時的平均效率高達97%。在使用相同電感值的情況下，以(400 kHz)開關頻率運行，提高了效率，并將功率損耗降至最低。高效率和低功耗將延長電池壽命周期，并降低熱冷卻所需的風扇速度。參見圖6。

另一方面，控制和同步mosfet的傳導損耗會導致BBU放電和充電過程中的總體功率損耗。

輸出電壓下降

ORV3 BBU規范的另一個要求是在放電模式操作期間包含電壓下降。電壓下降是在驅動系統負載的同時，BBU背板電壓的故意損失。使用LTC2971電路中的DAC, BBU背板電壓將根據測量的系統負載電流實時改變。因此，從空載到滿載，背板電壓降保持在ORV3 BBU要求的±1%以內。參見圖7。

切換波形

檢查開關波形為性能評估、故障分析、效率優化、EMI降低和安全考慮提供了有價值的信息。幫助工程師及時發現和解決問題，優化系統性能，保證數據中心BBU模塊的可靠高效運行。

在放電模式工作時，BBU模塊的開關操作非常關鍵，將30v ~ 44v的電池組電壓轉換為48v的背板電壓。這是通過使用同步功率MOSFET實現的，該MOSFET由LT8228脈寬調制(PWM)信號精確調節，并伴隨著LT8551，它重復LT8228的動作。開關的頻率和各相的電流分擔導致電壓升高，這對其工作很重要。主變換器及其多相擴展器滿載時的開關波形如圖8所示。在充電模式下，雙向變換器單相工作，將49 V至53 V的背板電壓降壓至44 V，為電池組充電。它的工作原理是快速開關同步功率MOSFET和斜坡電感電流。雙向變換器在5 a負載下的開關波形如圖9所示。

熱力性能

熱性能和效率必須仔細平衡。雖然擁有一個能夠承受高溫并在不過熱的情況下繼續工作的BBU模塊至關重要，但擁有一個能夠以最佳效率運行的BBU模塊也很重要，它可以將盡可能多的輸入功率轉換為輸出功率。在圖10中，在放電操作模式下，電路板的最差溫度測量值僅為40°C至60°C，滿載運行約4分鐘。在充電模式下，同步mosfet的溫度小于50°C。適當的空氣冷卻系統可以降低組件的排放溫度，防止熱失控。在電池組中適當設計電池間的間隙和適當的空氣流動設計可提供足夠的熱冷卻。參見圖11。

經營過渡

BBU模塊的過渡操作是在電源中斷或變化情況下保證不間斷供電的關鍵。該過程包括將電池組能量完美地傳輸到數據中心的背板，確保重要系統和設備保持4分鐘的運行。BBU模塊持續監測背板母線電壓。當母線電壓降至BBU模塊激活電壓48.5 V并持續2ms時，BBU模塊背板電壓必須上升，在2ms內為母線提供滿電。母線電壓在整個轉換過程中不得低于46v。當檢測到母線電壓大于48.5 V并持續200ms以上時，BBU模塊退出放電模式工作。參見圖12。

總結

為了節約能源，數據中心正在向48v系統發展。48v服務器機架具有更低的電流、更小的銅損耗和更小的電源母線尺寸，在功耗和散熱、尺寸和成本方面都比12v服務器機架更高效。前端無調節、高效率的級接電壓調節器調至適當負載，最適合于數據中心服務器微處理器和存儲器。這樣的思想水平，以及OCP的最新創新，為更高效的配電和智能電池備用單元設計鋪平了道路，以支持持續和完美的操作。

為BBU模塊和機箱選擇和實施合適的設備，可以簡化整體設計，延長電池壽命周期，縮短工程開發周期，最大限度地降低工程和生產成本。此外，提供機械模擬縮短了原型步驟，提供了可用于改進熱冷卻和管理的數據，并提高了設計的保證。最后，提供適當且設計良好的固件算法和順序，確保BBU平穩輕松地運行。

本系列的第2部分將討論各種BBU模塊的主要微控制器功能和操作，因為它與BBU內務管理的專門設計有關。此外，本文還將更深入地概述如何監控有用的信息，以及如何使用這些信息來構建和執行正確的工作流例程。