服务器由240 V高压直流供电的适应性研究

康孝，郑啸，李豁亮

(1 湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙410126；2 中国电信股份有限公司湖南分公司，长沙 410001)

240 V高压直流供电技术具有节能、可靠性高等特点，越来越多的数据中心采用240 V高压直流系统为服务器设备供电。目前主流的服务器一般按照ATX或SSI标准制造，这两个规范均未规定是否可以采用240 V直流供电，而该问题对于数据中心不间断电源系统方案的选择十分重要。

1 服务器电源标准

1.1 ATX标准

ATX (Advanced Technology eXtended，先进技术扩展型)电源标准最初由Intel公司于1995年发布，随着服务器供电要求的不断更新，共经历了近20个不同版本，主要用于台式机、工作站和低端服务器。

为适应新一代服务器在节能、功率和可靠性等方面的要求，Intel公司于2013年发布的《Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors v1.31》中对ATX标准做了最新的阐述，是目前现行的ATX标准。

1.2 SSI标准

SSI (Server System Infrastructure，服务器系统架构)标准是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标准。SSI标准具有降低开发成本，延长服务器使用寿命等特点，适用于各种级别的服务器。根据使用环境、规模的不同，SSI 标准可分为EPS、TPS、MPS 和DPS 4个子规范。

1.2.1 EPS规范

EPS（Entry Power Supply，入门级服务器电源）规范主要针对采用单电源供电的中低端服务器，秉承了ATX标准的一些基本特性，但在电性能指标上存在一些差异。最新的EPS规范要求，服务器电源独立使用，不采用冗余方式。

1.2.2 TPS规范

TPS（Thin Power Supply，紧凑型服务器电源）规范主要针对瘦形电源，具有PFC（功率因数校正）和自动负载电流分配功能。TPS电源适合冗余工作方式，最多可以实现4 组电源并联冗余工作。TPS规范对热插拔和电流均衡分配要求较高，电源可用于“N+1”冗余工作，有冗余保护功能。

1.2.3 MPS规范

MPS（Midrange Power Supply，适中型服务器电源）规范主要针对中高端服务器，比如支持4 路或4路以上处理器系统的服务器。MPS可单独使用，也可冗余使用，具有PFC和自动负载电流分配等功能。采用MPS规范，电源元件的电压、电流规格设计和半导体、电容、电感等器件工作温度的设计余量超过15%。

1.2.4 DPS 规范

DPS（Distributed Power Supply，分布式服务器电源）规范主要考虑兼容通信48 V直流电源系统，是一种简化了的服务器供电方式。它提供的最小功率为800 W，输出电压为+48 V和+12 VSB。DPS规范采用二次供电方式，输入220 V/380 V交流电经过AC/DC转换电路后输出48 V 直流，48 V 直流再经过DC/DC转换电路输出负载需要的+12 V、+5 V、+3.3 V 直流电。

2 不间断电源系统的工作原理

2.1 UPS供电原理及其问题

通信用高压直流出现之前，IT服务器一般采用UPS系统供电，供电电压为交流220 V，少数高功率密度IT设备直接由交流380 V供电。

UPS供电系统由UPS输入配电柜、UPS主机、UPS蓄电池和UPS输出配电柜等部分组成，为IT负载提供不间断电源。在UPS主机内部主要经历两个变换环节：一是整流（AC/DC）环节；二是逆变（DC/AC）环节。UPS供电系统的工作原理如图1所示。

图1 UPS供电系统原理图

UPS供电系统存在可靠性较低、维护及扩容难度大、效率相对低等问题，因而在通信行业内兴起了240 V/336 V高压直流电源系统的应用。

2.2 240V高压直流供电原理

目前，中国电信及其合作伙伴主要采用240 V高压直流系统，而中国移动主导了336 V高压直流系统的应用，两者的工作原理是相同的。大部分220 V交流服务器可以直接由240 V高压直流系统供电，下面着重介绍其工作原理。

240 V高压直流供电系统由高压直流输入配电柜、高压直流主机、高压直流蓄电池和高压直流输出配电柜等部分组成，为IT负载提供不间断电源。在高压直流主机内部只经历一个整流（AC/DC）变换环节。240 V高压直流供电系统原理如图2所示。

2.3 240 V高压直流输出性能

240 V高压直流系统的主要功能是将220 V/380 V的交流电转换为240 V直流电，并通过蓄电池储能装置保证前一级市电突然中断以及恢复时，不影响受电设备的正常工作。240 V高压直流系统与服务器供电相关的性能指标具体见表1。

图2 240V高压直流供电系统原理图

表1 240 V高压直流系统供电性能指标

3 服务器由240 V高压直流的适应性研究

3.1 服务器电源工作原理

分析以上主电路图可知，ATX和SSI电源的工作原理接近，均需经历以下6个电源转换流程。

（1）交流输入及滤波，主要完成对输入交流电源的噪声抑制和滤波。

（2）第一级变换（桥式整流），主要通过桥式整流电路，将220 V交流电（电压范围为180～264 V）变换为280 V（电压范围为229～336 V）的直流电。

（3）第二级变换（高频逆变），主要通过高频逆变电路，将上一级整流电路输出的直流电转换成稳压稳频交流电。

（4）第三级变换（隔离降压），主要通过高频隔离变压器，将高频交流电降压并隔离。

（5）第四级变换（高频整流），主要通过高频整流电路，将低压的高频交流电转换成不同电压等级的低压直流电。

（6）直流滤波及输出，主要完成对低压直流电的稳压及滤波，输出恒定的12 V、5 V、3.3 V直流电。

3.2 ATX电源适应性分析

分析ATX电源主电路图3可知，只要隔离变压器前端的电压和波形满足要求，则ATX电源可以由240 V直流供电。因此，下面将着重分析ATX电源由240 V直流供电在前3个步骤可能面临的问题。

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图3 典型ATX电源主电路图

图4 典型SSI电源主电路图

首先，在交流输入及滤波阶段，可以由240 V直流供电。240 V直流通过并联的电容并不会产生不良影响，通过串联的电感也只在通电瞬间产生阻碍作用。此外，电感和电容元器件可以长时间耐受240 V直流电。

其次，在桥式整流阶段，正常情况下可以采用240 V直流供电。先来分析采用220 V交流供电的情况，工作电流回路如图5所示。当A为正半周期时2、4号二极管导通；当B为正半周期时1、3号二极管导通，输出Uo为直流电，电压有效值Uo≈280 V。

再来分析采用240 V直流供电的情况，A极始终为正极，2、4号二极管导通，B极始终为负极，1、3号二极管关断，输出Uo同样为直流电。在不考虑二极管损耗的条件下，Uo≈240 V，该电压完全可以支持后端电路正常工作。此外，采用240 V直流供电流过二极管的平均电流更小，电子管总发热量更小。但是，采用240 V直流供电时，只有两只二极管导通电流，单只二极管的平均发热量较采用220 V交流时稍大，但不会对ATX电源造成明显的不良影响。

然而，若在桥式整流阶段选择110 V工作模式，则不可采用240 V直流供电。110 V工作模式下，若在输入端接通240 V直流，会导致桥式整流输出至高频逆变电路的电压达到240 V，正常的额定电压应为140 V，一方面超过了部分元器件的绝缘耐受电压，另一方面会使后续的逆变电路因电压过高而无法正常工作。

最后，在高频逆变阶段，正常情况下可以采用240 V直流供电。此时，桥式整流电路输出的电压及波形完全符合高频逆变电路的输入参数要求，可以长时间稳定工作。但是在110 V工作模式下（一般由船型开关控制切换），由于电压不匹配，高频逆变电路将无法正常工作。

综上所述，ATX电源可以直接由240 V直流供电，但是不能选择110 V工作模式。

3.3 SSI电源适应性分析

由于 SSI标准由 EPS、TPS、MPS 和 DPS 4 个子规范构成，对应的电源也有4个种类，本文选择应用较多的一种SSI电源进行分析，由图4可知，SSI电源与ATX电源相似，也只需分析隔离变压器前端的电压及波形是否满足后端输入要求，即可判断是否可以由240 V直流供电。

首先，在交流输入及滤波阶段，可以由240 V直流供电。主流的SSI电源在本阶段增加了EMI滤波装置，对其进行电路分析可知，该装置的主要作用为阻碍高频干扰信号，完全支持由240 V直流供电。

其次，在桥式整流阶段，与ATX电源相似，正常情况下SSI电源可以采用240 V直流供电。240 V直流通过桥式整流电路的分析结果与ATX完全相同，同样存在单只二极管平均发热量相对较高的现象。

此外，本文选取的SSI电源产品同样存在110 V工作模式下无法正常工作的问题。但对其他SSI电源产品进行电路原理分析可知，并不是所有的SSI电源均存在该问题，部分SSI电源能够自动适应220 V和110 V两种交流电压，同样也可以自动适应240 V直流电。此外，SSI电源产品的110 V切换装置多为钮子开关，也有采用船型开关或隔离开关等其他形式。

最后，在高频逆变阶段，选择220 V工作模式或者无需选择工作模式时，可以采用240 V直流供电，不可主动选择110 V工作模式。

图5 桥式整流电路交流工作状态

用相似的方法分别对不同的EPS、TPS、MPS、DPS电源进行分析，以上适应性结论仍然成立，故SSI电源可以直接由240 V直流电供电，只要不主动选择110 V工作模式。

3.4 适应性测试及其建议

根据上述适应性分析可知，ATX和SSI电源均可由240 V直流直接供电，而不采取其他附加措施。实际上，部分服务器电源无法判断其是否符合ATX和SSI标准，即使符合ATX和SSI标准也不能100%保证服务器可以由240 V直流供电。故建议在正式投入使用之前，必须对拟采用240 V直流供电的服务器设备（或其样本）进行适应性测试，根据测试结果来决定是否采用240 V直流供电，相关的测试建议如下。

（1）两类服务器必须进行静态测试。其一为无法判断是否采用ATX或SSI电源的服务器，其二为采用ATX或SSI电源但出厂日期在2008年之前的服务器。测试内容包括：检查服务器不得有必须使用交流电的装置，如变压器、交流马达和交流风扇等；检查服务器不得有交流频率检测装置；检查服务器电源不得在输入部分并联电感或串联电容；检查服务器电源上是否有船型开关或钮子开关等切换装置。

（2）采用ATX或SSI电源且出厂日期在2008年之后，以及静态测试合格的服务器必须进行240 V直流加电测试。测试内容包括：测试前准备，将船型开关或钮子开关固定在220 V电压侧；内部电阻测试，用万用表测试服务器设备的L、N两极，电阻值大于100 kΩ，则可进行加电测试；加电测试，采用带智能保护功能的直流电源给服务器输入204～288 V直流电，测试服务器连续正常工作应不小于24 h。

（3）支持240 V直流供电的服务器可以跳过上述两个步骤，直接进行装机测试，测试合格后即可投入使用。

4 结束语

随着通信用高压直流技术的不断发展，越来越多的服务器产品同时满足220 V交流和240 V直流供电要求，也出现了大量的定制服务器满足336 V高压直流供电要求。本文关于服务器由240 V高压直流供电的适应性研究，一方面可用于指导数据中心不间断电源系统的选择，另一方面可用于高压直流定制服务器电源的优化。