(57)【要約】【課題】システムのサーバの動作中の際にも突然システムから引き抜くことが可能な、電源マイクロ停電を補償するモジュールを提供すること、また、システムのサーバの動作中の際にも突然システムに差し戻すことが可能な、マイクロ停電を補償するモジュールを提供すること。【解決手段】少なくとも１つのサーバ用のマイクロ停電補償モジュールは、前記停電を補償するために放出可能な電気エネルギーを蓄積する１つ以上の容量蓄積素子を備え、さらに容量蓄積素子の充電及び／又は放電のため、十分に容量蓄積素子の充電及び／又は放電電流を制限してサーバの動作中においてもモジュールのホットプラグ及び／又は引抜を可能とするコントローラをさらに備える。【選択図】図１
2016012353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのサーバにおけるマイクロ停電を補償するモジュールであって、前記停電を補償するために以後放出され得る電気エネルギー用の容量蓄積素子（１２）を少なくとも１つ備え、前記容量蓄積素子（１２）の充電及び／又は放電をして、十分に前記容量蓄積素子（１２）の充電及び／放電電流を制限して前記サーバの動作中でも前記モジュールが差し込まれる及び／又は引き抜かれることを可能とするコントローラ（１０）をさらに備えることを特徴とする、マイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項２】
前記コントローラ（１０）を前記容量蓄積素子（１２）に接続し、前記サーバの動作中に前記モジュールを引き抜くことで前記コントローラ（１０）が前記容量蓄積素子（１２）によって動力が与えられるように状態が変わる補助電源スイッチ（１９）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項３】
放電抵抗（２１）を前記容量蓄積素子（１２）に接続し、前記サーバの動作中に前記モジュールが引き抜かれる間に前記コントローラ（１０）によって駆動される放電スイッチ（２４）をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項４】
いくつかの容量蓄積素子（１２）を備える、及び／又は１つ以上のサーバの電源レール（５）にて発生するマイクロ停電を補償することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項５】
前記少なくとも１つの容量蓄積素子（１２）は、マイクロ停電中及び１つ以上の揮発性メモリのコンテンツを１つ以上の不揮発性メモリにバックアップするときにバックアップ電力を与えるように構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項６】
前記１つ以上の容量蓄積素子（１２）は１つ以上のスーパーコンデンサを備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項７】
外部電源（５）と接続されるように適合される第１電源端子（２２）であって前記容量蓄積素子（１２）を前記第１電源端子（２２）から充電して前記第１電源端子（２２）に放電するように前記容量蓄積素子（１２）に接続される第１電源端子（２２）と、前記外部電源（５）と接続されるように適合されて前記コントローラ（１０）に電力を供給するように前記コントローラ（１０）に接続される第２電源端子（２３）とを備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項８】
前記第１電源端子（２２）に接続されてその値が５００ナノファラドを超える、波形ひずみを引き起こすことが可能な静電容量を含まないことを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項９】
外部電源（５）に接続されるように適合される第１電源端子（２２）と、前記容量蓄積素子（１２）及び前記第１電源端子（２２）の間に配されて前記サーバの動作中に前記モジュールが差し込まれることで起動される内蔵電流制限器を備える主ＤＣ／ＤＣ変換器（１６）とを備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項１０】
外部電源（５）に接続されるように適合される第２電源端子（２３）と、前記コントローラ（１０）及び前記第２電源端子（２３）の間に配される二次ＤＣ／ＤＣ変換器（２０）と電流制限器（１９）とを備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項１１】
前記コントローラ（１０）は、前記モジュールの突然の引き抜きを検出する機能を含み、前記機能は急な引き抜き動作を完全に行われる前に示すように他のピンよりも短いピンに接続されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項１２】
前記コントローラ（１０）は、マイクロ停電が検出されるとすぐに、電力消費の低下のための１つ以上の要求を１つ以上のサーバに発生させる、前記マイクロ停電を検出する機能を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項１３】
１つ以上のサーバについてマイクロ停電を補償するモジュールであって、前記１つ以上のサーバの動作中であっても差し込み及び／引き抜き可能であることを特徴とする、マイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項１４】
前記サーバ又は前記サーバの少なくともいくつかは、それぞれ１つ以上のマイクロプロセッサ及び／又は１つ以上のメモリを備えることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロ停電を補償するモジュール。
【請求項１５】
−１つ以上のマイクロプロセッサと、
−ＲＡＭメモリ（３２）と、不揮発性メモリ（３３）と、不揮発性メモリ（３３）に前記ＲＡＭメモリ（３２）のコンテンツを保存して前記不揮発性メモリ（３３）のコンテンツを用いて前記ＲＡＭメモリ（３２）を再構成するように適合されるコントローラ（３４）とをそれぞれ備えるいくつかのデュアルメモリ（３１）と、
−前記コンピュータの動作中に、マイクロ停電が起きていない中で前記マイクロプロセッサと前記デュアルメモリ（３１）に動力を与え、外部電源（５）に接続されるように適合される主電源レール（９）と、
−前記コンピュータの動作中に、少なくともマイクロ停電の所定期間を越えた時に前記デュアルメモリ（３１）に動力を与え、前記マイクロプロセッサには動力を与えない二次電源レール（６、８）と、
−電気エネルギー用の容量蓄積素子（１２）を備え、マイクロ停電の発生時に前記主電源レール（９）に電気エネルギーを、前記マイクロ停電の所定期間中のみに供給するように適合され、マイクロ停電中に、マイクロ停電の前記所定期間を越えてから電気エネルギーを前記二次電源レール（６、８）にも供給するように適合される、マイクロ停電を補償するモジュール（１）とを備えることを特徴とする、コンピュータ。
【請求項１６】
前記マイクロ停電を補償するモジュール（１）は、請求項１〜１４のいずれか１項に係るマイクロ停電を補償するモジュール（１）であることを特徴とする、請求項１５に記載のコンピュータ。
【請求項１７】
前記ＲＡＭメモリ（３２）はＤＲＡＭであり、前記不揮発性メモリ（３３）はフラッシュメモリであることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載のコンピュータ。
【請求項１８】
前記コンピュータは複数のマイクロプロセッサを備えるスーパーコンピュータであることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のコンピュータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ停電補償モジュールの分野及びこのような補償モジュールを組み込むコンピュータの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来技術では、電源供給の故障がＡＣ（交流）レベルで扱われる電子システムが公知である。例えば、無停電電源（ＵＰＳ）は、ＡＣネットワークによって供給される電力における数分間の停電を補償するために、整流器、電池及びインバータを含有する。ＡＣ／ＤＣ（交流／直流）変換器または電源ユニット（ＰＳＵ）での故障に対応するために、例えば１＋１の仕組みによれば、後者は冗長となる可能性がある。この仮定では、電源ユニットの２つの出力は情報処理装置のマザーボードで一緒に接続されて、ＤＣ電源レール、例えば１２Ｖレールを形成する。この１２Ｖレールは、さまざまな電源電圧を集積回路に供給するＤＣ／ＤＣ電圧変換器である下流荷重点を数多く供給する。マザーボードは数ダースの、それぞれの電源出力範囲が数百ミリワットから数ワットの間である異なる荷重点に対応する。このようなシステムでは、単一の荷重点での故障は通常、結果として揮発性メモリ内のデータ損失を招く致命的なエラーとなる。
【０００３】
第２の従来技術によれば、集積されるシステムの信頼性及び有効性を保証する停電補償モジュールに基づく電源バックアップシステムを用いることが知られている。これは、一般的に揮発性メモリデバイス及び電気電源装置を含む情報処理システムに適用される。補償モジュールなしでは、電源デバイスのいかなる重故障も揮発性メモリ内に記憶されるデータ損失を結果として招く。この補償モジュールは、自動データバックアップ及び関連付けられるバックアップシステムの容易なメンテナンス性を確実にするために、電源供給バックアップシステムの機能を果たす。この種の補償モジュールのメンテナンスは難しい。実に、この種の補償モジュールにおける容量蓄積素子を変えたり確認したりする必要がある時に、モジュールはシステム全体が停止されている時のみ、すなわち動作していない時にしか抽出することができない。これは、システムのサーバの電源を落とされなければならないことを意味する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、少なくとも部分的に上記の欠点を解消するマイクロ停電を補償するモジュールを提供することである。
より具体的には、本発明は、システムの前記サーバの動作中の際にも突然システムから引き抜くことが可能な、電源マイクロ停電を補償するモジュールを提供することを目的とする。これは「ホットスワップ」または「ホットアンプラグ」とも呼ばれる。
より具体的には、本発明はまた、システムの前記サーバの動作中の際にも突然システムに差し戻すことが可能な、マイクロ停電を補償するモジュールを提供することを目的とする。これは「ホットプラグ」とも呼ばれる。
【０００５】
容量電気エネルギー蓄積素子は、特にスーパーコンデンサが採用されるときに相当なエネルギーを蓄積することができる蓄積素子であるために、これらの「ホット」、つまりは組み込まれる補償モジュールによって管理される１つ以上のサーバの動作中に、引き抜いたり再挿入したりすることは課題であるように見受けられる。
【０００６】
実に、結果として著しい量のエネルギーを蓄積することができる、加えて、容量性観点から速放性であるその大きな蓄積容量は、過剰な突入電流による危険性を著しくさせ、電源の電圧レベルの瞬間崩壊を招き、これによって「ホットアンプラグ」及び／又は「ホットプラグ」動作中でのシステム故障のリスクを増大させる。したがって、高蓄積密度を有する電気エネルギーを蓄積するための１つ以上の容量素子を備えるコンポーネントの「ホットアンプラグ」及び／又は「ホットプラグ」に対して技術的偏見がある。
【０００７】
本発明はこの技術的偏見を、容量蓄積素子について充電及び／又は放電電流制限をまとめ、この電流制限をコントローラによって管理することで解消することを狙っており、電源供給システムに著しい障害を起こし得て結果的にサーバの誤動作及びサーバ内の揮発性メモリにおけるデータ損失を起こし得る過剰な突入電流の著しい危険性なく、ホットアンプラグ又はホットプラグを可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのために、本発明は少なくとも１つのサーバにおけるマイクロ停電を補償するモジュールであって、前記停電を補償するために以後放出され得る電気エネルギー用の容量蓄積素子を少なくとも１つ備え、前記容量蓄積素子の充電及び／又は放電をして、十分に前記容量蓄積素子の充電及び／放電電流を制限して前記サーバの動作中でも前記モジュールが差し込まれる及び／又は引き抜かれることを可能とするコントローラをさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
このために、本発明はさらに、１つ以上のマイクロプロセッサと、ＲＡＭメモリと、不揮発性メモリと、不揮発性メモリに前記ＲＡＭメモリのコンテンツを保存して前記不揮発性メモリのコンテンツを用いて前記ＲＡＭメモリを再構成するように適合されるコントローラとをそれぞれ備えるいくつかのデュアルメモリと、前記コンピュータの動作中に、マイクロ停電が起きていない中で前記マイクロプロセッサと前記デュアルメモリに動力を与え、外部電源に接続されるように適合される主電源レールと、前記コンピュータの動作中に、少なくともマイクロ停電の所定期間を越えた時に前記デュアルメモリに動力を与え、前記マイクロプロセッサには動力を与えない二次電源レールと、電気エネルギー用の容量蓄積素子を備え、マイクロ停電の発生時に前記主電源レールに電気エネルギーを、前記マイクロ停電の所定期間中のみに供給するように適合され、マイクロ停電中に、マイクロ停電の前記所定期間を越えてから電気エネルギーを前記二次電源レールにも供給するように適合される、マイクロ停電を補償するモジュールとを備える、コンピュータを提供する。
二次電源レールはスタンバイ電源レールとも呼ばれる。
マイクロ停電は、交流を供給する商用電源からの供給における短い中断に相当する。
【００１０】
本発明に係る又は本発明の好ましい実施形態に係るコンピュータは、本発明に係る又は本発明の好ましい実施形態に係るマイクロ停電補償モジュールを採用してもよい。コンピュータは補償モジュールによって管理されるサーバであり得る。同一の補償モジュールが複数のサーバをも管理することができる。
サーバ用マイクロ停電補償モジュールは、モジュールと電源盤との間でケーブルを必要とせずに電源盤に直接接続される。
【００１１】
好ましい実施形態に撚れば、本発明は上記の構成要素と、別々又は部分的若しくは完全に組み合わせて用いられる、以下の特徴を１つ以上備える。
【００１２】
好ましくは、マイクロ停電を補償するモジュールは、前記コントローラを前記容量蓄積素子に接続し、前記サーバの動作中に前記モジュールを引き抜くことで前記コントローラが前記容量蓄積素子によって動力が与えられるように状態が変わる補助電源スイッチをさらに備える。よって、マイクロ停電の発生時に、実際のところ補償モジュールにおいて前記コントローラに隣接する１つ以上の容量蓄積素子によるコントローラの一時自己出力に実質的に等しいものが、コントローラが一連の停電管理動作を扱うことを可能とさせ、これは、コントローラ自体も、ネットワーク内のその他のコンポーネントと同様に、マイクロ停電の被害を受けて対応されないといけないにもかかわらず、実行される。モジュールがサーバの動作中に引き抜かれることとは、モジュールが引き抜かれ始める時点を具体的に示しており、モジュールを引き抜く以前は有効又は完了的であり、前記モジュールの引き抜きが正しく管理されるように時間を与える。
【００１３】
好ましくは、マイクロ停電を補償するモジュールは、放電抵抗を前記容量蓄積素子に接続し、前記サーバの動作中に前記モジュールが引き抜かれる間に前記コントローラによって駆動される放電スイッチをさらに備える。容量蓄積素子は少なくとも、コントローラがマイクロ停電に対応するのに必要な時間期間だけ、及びデュアルメモリがデータをバックアップするのに必要な時間期間だけ供給できるだけの相当量のエネルギーを蓄積することができる。蓄積されるエネルギーの量がかなり大きくなり得るため、これはスタッフ及びアンプラグを行うオペレータにとって一種の危険を表すことができる。放電抵抗は、オペレータがホットアンプラグ又は「突然の取り外し（ｓｕｒｐｒｉｓｅ  ｒｅｍｏｖａｌ）」を行うときに顕著なリスクを負うことなく補償モジュールを取り扱えるようにこのエネルギーの必須部分を放電することを可能とする。
【００１４】
好ましくは、マイクロ停電を補償するモジュールはいくつかの容量蓄積素子を備える、及び／又は１つ以上のサーバの電源レールにて発生するマイクロ停電を補償する。このようにして、電気ネットワークを管理するのに単一の補償モジュールで十分となり得る。
【００１５】
好ましくは、少なくとも１つの容量蓄積素子は、マイクロ停電中及び１つ以上の揮発性メモリのコンテンツを１つ以上の不揮発性メモリにバックアップするときにバックアップ電力を与えるように構成される。スタンバイ電力を与えるこれらの機能に加えて、本発明は結果的に、補償モジュールのホットプラグ又はホットアンプラグの発生時に補償モジュールのコントローラに一時的な電力を一時的に供給するという追加の機能を提供する。
【００１６】
好ましくは、容量蓄積素子は１つ以上のスーパーコンデンサを備える。スーパーコンデンサは、例えば電気化学的性質といったその他のエネルギー資源よりもより制限された容量しか有さないが、それでもなおそのピーク電力をシステムの寿命にわたってより多くの頻度で届けることができ、よって明らかに大きな数のマイクロ停電に対応する。
【００１７】
好ましくは、補償モジュールは、外部電源と接続されるように適合される第１電源端子であって前記容量蓄積素子を前記第１電源端子から充電して前記第１電源端子に放電するように前記容量蓄積素子に接続される第１電源端子と、前記外部電源と接続されるように適合されて前記コントローラに電力を供給するように前記コントローラに接続される第２電源端子とを備える。よって容量蓄積素子は、商用ネットワークからのエネルギーを、後者が通常運転しているときに蓄積し、このエネルギーはマイクロ停電の発生時にコントローラに返すことが可能となる。
【００１８】
好ましくは、補償モジュールは、前記第１電源端子に接続されてその値が５００ナノファラドを超える、波形ひずみを引き起こすことが可能な静電容量を含まない。このようにして、このような静電容量の何かしら複雑な管理によって補償モジュールによるマイクロ停電、又はこの補償モジュールのホットアンプラグの管理が阻止されたり複雑化されたりしない。
【００１９】
好ましくは、補償モジュールは、外部電源に接続されるように適合される第１電源端子と、前記容量蓄積素子及び前記第１電源端子の間に配されて前記サーバの動作中に前記モジュールが差し込まれることで起動される内蔵電流制限器を備える主ＤＣ／ＤＣ変換器とを備える。このようにして、容量蓄積素子の制御されていない充電によってもたらされ得て主電源レール上の著しい電圧の低下を招く可能性のある過剰な突入電流の発生リスクが回避される。
外部の電力源は、それとしては、ＡＣ／ＤＣ変換器を組み込んでおり、この変換器は入力商用電気ネットワークと前記第１電源端子との間に配される。
【００２０】
好ましくは、補償モジュールは、外部電源に接続されるように適合される第２電源端子と、前記コントローラ及び前記第２電源端子の間に配される二次ＤＣ／ＤＣ変換器と電流制限器とを備える。このようにして、商用供給の通常動作条件下では、コントローラは商用ネットワークから、過剰な電流ピーク無しで電力が与えられる。
【００２１】
好ましくは、コントローラは前記モジュールの突然の引き抜きを検出する機能を含み、前記機能は急な引き抜き動作を完全に行われる前に示すように他のピンよりも短いピンに接続されている。このようにしてコントローラは、突然の容量蓄積素子の引き抜き動作を非常に速い段階で検知し、動作が有効となる前に、結果としてこれらの容量蓄積素子からの電力が枯渇する前に管理することができる。これは、コンピュータに補償モジュールを差し込むのに用いられるピンの異なる長さによって可能となっている。
【００２２】
好ましくは、コントローラは、マイクロ停電が検出されるとすぐに、電力消費の低下のための１つ以上の要求を１つ以上のサーバに発生させる、前記マイクロ停電を検出する機能を含む。このようにして、マイクロ停電が検出されると、コントローラによって管理される電気コンポーネントの大半がその消費電力を素早く減少させて、例えば電気化学的型といった従来の電力源と比べて比較的制限されたままのエネルギー蓄積容量にかかわらず、容量蓄積素子が一定時間続くマイクロ停電に対応するのも可能とさせる。
【００２３】
好ましくは、補償モジュールは、前記１つ以上のサーバの動作中でも差し込み及び／又は引き抜き可能である。
好ましくは、サーバ又は前記サーバの少なくともいくつかは１つ以上のマイクロプロセッサ及び／又は１つ以上のメモリを備える。
好ましくは、前記ＲＡＭメモリはＤＲＡＭメモリであり、前記不揮発性メモリはフラッシュメモリである。
好ましくは、前記コンピュータは複数のマイクロプロセッサを備えるスーパーコンピュータである。
【００２４】
同一の商用電源に依存し、前記電力源におけるマイクロ停電に対処するのに同一のモジュールによって管理されるシステムがより複雑である及び／又はバックアップの必要のある繊細なデータを含めば含むほど、本発明に係る補償モジュールの利便性が大きくなり、特に比較的低下した複雑性及び電力消費量の観点で特に有効である。
【００２５】
本発明の好適な実施形態によれば、電源におけるマイクロ停電を補償するモジュールは、ＳＳＤ型ディスクにバックアップを行うことからなる解決策と比べて、プロセッサ及び入出力回路が電力を供給されておらず、メモリのみが電力を与えられている臨界動作中にシステムの電力消費を厳しく最小限に制限することを可能とする。容量蓄積素子の大きさ及び費用は結果として大きく減らされる。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、電源におけるマイクロ停電を補償するモジュールは、リチウムイオン又は鉛型を例とする電気化学的電池におけるエネルギー蓄積を採用する解決策と比較して、例えば１４００Ｗ（１２Ｖでおよそ１２０ａｍｐｓに相当する）ピーク電力を、システムの寿命にわたって５００，０００回まで届け続けることができる。電気化学的電池の場合はその数値はおよそ１０００回のみに制限される。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロ停電を補償するモジュールは、外部供給電圧よりも著しく高い電圧に容量蓄積素子のセットが充電される解決策と比較して、容量蓄積素子と外部電源電圧との充電電圧のレベルの間の電力変換器を用いて分配することを可能とする。これは、スイッチングモードで動作する１つの単一電源トランジスタに低下され得る、補償モジュールの主スイッチを実装するための費用及び嵩を低下させることができる。この単一トランジスタは結果として、シリコンの温度において、非常に低下した上昇のみでしか上昇しない。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、システムのサーバの動作中の際にも突然システムから引き抜くことが可能な、電源マイクロ停電を補償するモジュールを提供することができる。これは「ホットスワップ」または「ホットアンプラグ」とも呼ばれる。
本発明はまた、システムのサーバの動作中の際にも突然システムに差し戻すことが可能な、マイクロ停電を補償するモジュールを提供することができる。これは「ホットプラグ」とも呼ばれる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明の実施形態に係るマイクロ停電補償モジュールを用いるコンピュータのマザーボードの例を概略的に示すブロック図である。（実施例）
【図２】図２は本発明の一実施形態に係るマイクロ停電補償モジュールの例を概略的に示すブロック図である。（実施例）
【図３】図３は本発明の一実施形態に係るＤＣ／ＤＣ電圧変換器の例を概略的に示す回路図である。（実施例）
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明のその他の特徴及び利点は、例示され、添付の図面を参照して記載される本発明の好ましい実施形態の以下の記載によって明らかになるであろう。
【実施例】
【００３１】
図１は、本発明の実施形態に係るマイクロ停電補償モジュールを用いるコンピュータのマザーボードのブロック図の例を概略的に示す。本明細書では、コンピュータ又はサーバを、同一種類の装置を網羅するために入れ替え可能に用いる。補償モジュールを含むコンピュータは、システム動作を変更することなく電力の短い停電とマイクロ停電との両方に対応すること、揮発性メモリデータを喪失することなくより長い停電又はマイクロ停電に対応すること、データ損失なして大多数の荷重点及び電源モジュールの単純な故障（多重故障と対比して）に対応すること、電源モジュールの「ホットスワップ」並びに補償モジュールの容量蓄積素子のモジュールによってメンテナンス対応することができる。
【００３２】
そのためには、コンピュータの回路機構、特に図２に詳細を示す補償モジュールの回路機構は、マイクロ停電の発生を検出してローカルエネルギー源に切り替え、長い停電又はマイクロ停電を検出して不揮発性メモリに揮発性データを保存して、電源モジュール又は容量蓄積素子の「ホットスワップ」を許容して保存されたデータを用いてシステムを再起動することができる。
【００３３】
図１では、マイクロ停電補償用モジュール１と、いくつかの電源モジュール２と、いくつかのメモリーカードと、オアリング変換器４と、交流を供給する商用ＡＣ供給商用電源に接続される外部電源５と、主電源レール９と、システム起動用の補助電源レール７と、変換器４の両側にそれぞれ配される部６及び８からなる二次電源レールが見受けられる。各レール６、７及び９はデカップリングコンデンサを介してグランドに接続される。
【００３４】
コンポーネント１〜４はさまざまな電気信号に接続されるさまざまなピンを有する。Ｐ１２ＶＳＢピンはシステムの起動を可能とする入力電力に対応し、その値は１２Ｖである。Ｐ５ＶＳＵＳピンはバックアップ動作中に制御回路をマザーボード上で管理する出力電力に対応し、その値は５Ｖである。この出力電力はホットプラグ可能な補償モジュール１においても用いられる。電圧Ｐ１２Ｖはマザーボードの主電源に相当し、その値は１２Ｖである。このレールは補償モジュール１のインターフェースでの入出力の両方で用いられる。電圧ＶＭＢＫはスタンバイ電力に相当し、データバックアップフェーズ中に用いられる二次電力とも呼ばれる。ＵＣＫＩＬＬ信号は補償モジュール１の「ホット」又は突然の引き抜き（ｓｕｒｐｒｉｓｅ  ｕｎｐｌｕｇｇｉｎｇ）を検出する入力信号である。Ｉ２Ｃバス上のＰＭＢｕｓ信号は、コントローラがマザーボード上に載置されたメンテナンスマイクロプロセッサによって補償モジュール１を制御できるようにさせる。ＰＲＯＣＨＯＴ信号は、マイクロ停電中に、マザーボードプロセッサに対して低電力消費モードに切り替えるように求める出力信号である。
【００３５】
メモリーカード３はそれぞれ揮発性メモリ３２と不揮発性メモリ３３からなるデュアルメモリ３１それぞれ１つ以上含み、メモリ３２及び３３は両方ともコントローラ３４によって管理される。デュアルメモリ３１はＮＶＤＩＭＭ（「Ｎｏｎ−ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｄｕａｌ  ｉｎ  Ｌｉｎｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｍｏｄｕｌｅ」を示す）型メモリである。ＮＶＤＩＭＭ型のデュアルメモリ３１は、バックアップ及びデータの復元を管理するために、例えば、揮発性ＤＲＡＭ技術メモリ３２と不揮発性フラッシュ技術におけるメモリ３３の組み合わせに、オンボードコントローラ３４を組み合わせてなる。多重の電源入力は各デュアルメモリ３１に電力を与える。これらの入力の少なくとも１つは、ローカルエネルギー源からである。デュアルメモリの数はマザーボード上でかなり多く、例えばサーバ毎に４８個となり得る。通常運転では、これらのデュアルメモリ３１によって消費される電力はサーバから放散される全電力の著しい割合に到達し得る。例えば、数値で示すと、４８個のデュアルメモリ３１は１４００Ｗのサーバで４８０Ｗ、つまり全放散電力の３４％を放散することができる。これに比べて、システムがスタンバイ電力で実行されるときは、デュアルメモリ３１による消費はもっと低く、例えば約２４０Ｗ、全放散電力の１７％に相当する量である。これらのデュアルメモリ３１の全ては８つのメモリライザーカードにグループ分けされ、それぞれが６つのデュアルメモリ３１に対応し、４ＧＢの容量を有して、通常実行では最大で１０Ｗ、バックアップでは５Ｗを消費し、それぞれ数１０ワットを放散する８つのドーターボードに連結される。
【００３６】
２つの電源モジュール２は１＋１冗長構成で構成される２つの１２Ｖ電源に対応し、電圧Ｐ１２ＶＳＢに相当する再起動のためのスタンバイ用の１２Ｖの補助出力を有する。
【００３７】
図１に示すコンピュータはまた、それぞれ１５０Ｗの放散電力を有するマイクロプロセッサ（図１に図示せず）用のスロットを２つ、及び、直列に配置される５つの２０００Ｆスーパーコンデンサに対応する補償モジュール１とを含む。動作中のコンピュータの全体的な電力消費量は結果的に約１４００Ｗである。
【００３８】
商用電源のいかなる単純な故障についても、これらのローカル電源が、不揮発性メモリにおけるシステム状態の保存を確実にする。したがって、図１に示すコンピュータはその動作への影響を最小限に抑えながら単純な停電に耐えることができる。また、必要に応じて、故障したモジュールの入れ替えを可能として、システムが劣化モードにあるときに２つ目の故障が発生するのを回避することもできる。この理由で、短い停電は電源の単純な故障として考慮される。
【００３９】
補償モジュール１は以下の２つの場合、つまり、第１に、商用電源における短い停電中でのコンピュータの動作を確実にし、第２にＡＣ商用電源における長い停電の場合に揮発性メモリのコンテンツを保護するときに、緊急用電源として作用する。補償モジュール１はその後、２つの標準的な電源モジュール２のバックアップとして作用する第３の電源モジュールとして作用する。これは、２つの電源モジュール２のインターフェースに、変換器４への入力であり、メモリサブシステムにバックアップ用の電圧を供給する二次電源レール８を加える。この分離は、不揮発性メモリ３３における揮発性メモリ３２のコンテンツのバックアップ動作の間でのマイクロプロセッサ、ディスク、及び入出力回路の電力供給の全切断を可能とする。
【００４０】
図２は、本発明の一実施形態に係るマイクロ停電補償モジュール盤のブロック図の例を概略的に示す。補償モジュール１は、コントローラ１０、電源スイッチ１１、容量蓄積素子１２、昇降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器１３、第１昇圧段１４と第２降圧段１５とを有する主ＤＣ／ＤＣ変換器１６、降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器１７、降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器１８、出力が５Ｖ値の安定化電圧Ｐ５ＶＳＵＳを生成するデバイス１９、二次ＤＣ／ＤＣ変換器２０を形成する素子１７、１８、及び１９、並びに放電抵抗２１を含む。電源スイッチ１１は容量蓄積素子１２と主変換器１６の両方の、外部電源５に接続される電源の第１端子２２へのアクセスを制御する。変換器１７は電源７に第２電源端子２３を介して接続される。容量蓄積素子１２から放電抵抗２１を介してグランドに通る放出電流は、コントローラ１０によって制御されるトランジスタ２４によって制御される。容量蓄積素子１２は有利にスーパーコンデンサである。例えばオアリング型のデバイス１９は、補助電源スイッチの機能と電流制限器の機能との両方を組み込む。
【００４１】
補償モジュールの、マザーボードの他の機能とのインターフェースは、対応するピンに存在する以下の信号によって行われる。電源Ｐ１２Ｖは、商用ＡＣ供給源に接続されるＡＣ／ＤＣ変換器を備える電源モジュール２に接続される外部電源５に接続される。これらの２つの電源モジュール２は、好ましくは１＋１冗長構成にて動作してもよい。外部電源５のレベルは１２Ｖである。各電源モジュール２は、商用ＡＣ供給が存在するときにシステム起動を可能とする低い電源Ｐ１２ＶＳＢを与える。電源Ｐ１２ＶＳＢもまた、１２Ｖの値を有する。補償モジュール１によって与えられるバックアップ電源ＶＭＢＫは、図１に記載される変換器４に接続される。ＵＣＫＩＬＬ信号は、他よりも短いピンでマザーボードのグランド（「グランド」を示してＧＮＤ）に接続される。Ｐ５ＶＳＵＳ電源及びＰＲＯＣＨＯＴ並びにＰＭＢｕｓ信号は、簡単化のために図２に示されていないマザーボード電力管理特徴に接続される。
【００４２】
補償モジュール１では、二次低電力変換器１７が補助電源Ｐ１２ＶＳＢの上昇と共に自動的に起動し、コントローラ１０に第１の補助電圧Ｐ５ＶＳＵＳを与える。主変換器１６の昇圧段１４は２１Ｖ値の値を有する電源Ｐ２１Ｖを生成し、これは主変換器１６の降圧段１５及び電源スイッチ回路１１のゲートの制御回路に用いられる。コントローラ１０は主変換器１６の降圧段１５を、グランドとＶＣＡＰ電力レールとの間に接続される蓄積素子１２の充電を確実にするために開始させる。電源スイッチ１１、変換器１３、及び放電抵抗２１もまた、このＶＣＡＰ電力レールに接続される。コントローラ１０は、Ｐ１２Ｖ、ＶＢＡＴ、及びＶＭＢＫなどの全てのローカル電圧を扱うことができる。
【００４３】
コントローラ１０は、ＣＰＬＤ（「複合プログラム可能理論デバイス」）型回路、ＦＰＧＡ（「フィールドプログラマブルゲートアレイ」）、ＤＳＰ（「デジタル信号プロセッサ」）型のマイクロコントローラ又はその組み合わせの形態を取ることができる。その役割はさまざまな動作のフェーズ、具体的には、システムの電源投入、商用ＡＣ供給源におけるマイクロ停電の検出、不揮発性メモリにデータを保存して又はしないでのＡＣ電源故障の検出、補償モジュール１の「ホット」スワップ、において容量蓄積素子１２の充放電動作を連続させることである。
【００４４】
電源投入中に、変換器１７はコントローラ１０を起動させる。電源スイッチ１１はコントローラ１０からのＵＣＸ信号によってオフ状態に保たれる。コントローラ１０は変換器主１６の降圧段１５を、ＵＣＣ信号を介して起動させる。主変換器１６の降圧段１５は容量蓄積素子１２を定常電流にて公称電圧まで充電して、フロートモードに切り替わる。ＶＣＡＰ電力レールが第１の所定閾値に到達すると、変換器１８が起動されて、コントローラ１０に供給する５Ｖの値の電圧Ｐ５ＶＳＵＳを出力するオアリング型のデバイス１９のトランジスタによって変換器１７を支援する。ＶＣＡＰ電力レールが第２の所定閾値に到達すると、コントローラ１０からのＵＣＷ信号によって変換器１３が起動され、図１に示すコンピュータのマザーボードにバックアップ電圧ＶＭＢＫを与える。この電源投入中に、容量蓄積素子１２は電源スイッチ１１によって主電源レールＰ１２Ｖから分離される。したがって、図１に示す電源モジュール２の出力を短絡させない。これらが不在であると、補償モジュール１の「ホット」接続はこれらの２つの電源モジュールがトリップすることになる。
【００４５】
マイクロ停電を検出すると、コントローラ１０は主電源レールＰ１２Ｖ供給における電圧レベルの低下を閾値コンパレータによって検出し、スイッチ電源１１の閉鎖によって数マイクロ秒以内に反応する。容量蓄積素子１２及び電源スイッチ１１の内部抵抗は、主電源レールＰ１２Ｖが第１の閾値ＶＴ１だけで安定化するように判定される。通常は数ｍｓである所定の期間Ｔ１の間、容量蓄積素子１２はコンピュータのマザーボードにその定格出力を与える。期間Ｔ１を越えると、コントローラ１０は信号ＰＲＯＣＨＯＴを発生させて、マザーボードのマイクロプロセッサに低電力モードに切り替わるように要求する。マイクロプロセッサが現時点で存在するために、電力低下は定格電力に比べて８０％に到達することができる。この充電低下に対する反応時間Ｔ２は１ｍｓ未満である。マイクロ停電が終了すると、電源モジュール２は再度起動され、普通にマザーボードに電力を与えることができるようになるため、Ｐ１２Ｖ供給電圧は公称値に戻る。マイクロ停電後の数秒で、主変換器１６の降圧部１５は蓄積容量素子１２をそれらの公称電圧に再充電する。充電時間はマイクロ停電の実際の期間と比例する。
【００４６】
不揮発性メモリにデータのバックアップを有する状態でＡＣ商用電源からの外部電源における中断を検出すると、コントローラ１０は主電源レールＰ１２Ｖにおける電圧レベルの低下を閾値コンパレータによって検出し、電源スイッチ１１を閉鎖することで数マイクロ秒以内に反応する。容量蓄積素子１２及び電源スイッチ１１の内部抵抗は、主電源レールＰ１２Ｖがちょうど第１の閾値ＶＴ１のレベルで安定化するように判定される。通常は数ｍｓである所定の期間Ｔ１について、容量素子１２はマザーボード定格出力に収容力を与える。Ｔ１を越えると、コントローラ１０は信号ＰＲＯＣＨＯＴを発生させて、マザーボードのマイクロプロセッサに低電力モードに切り替わるように要求する。マイクロプロセッサが現時点で存在するために、電力低下は定格電力に比べて８０％に到達することができる。この充電低下に対する反応時間Ｔ２は１ｍｓ未満である。Ｔ１＋Ｔ２を過ぎた設定時間Ｔ３について、コントローラ１０は電圧Ｐ１２Ｖの低下がマイクロ停電によるものだと仮定し、待機する。待機している間、Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３の終わりで信号Ｐ１２Ｖの電圧が第１の閾値ＶＴ１よりも高く上昇していなければ、コントローラ１０は不揮発性メモリにデータをバックアップするフェーズに移る。この時点で、コントローラは電源スイッチ１１をあけるが、これは電圧Ｐ１２Ｖが第１の閾値ＶＴ１よりも電圧を低下させる効果を有する。容量蓄積素子１２は主電源レール供給Ｐ１２Ｖから結果的に別離され、残されたエネルギーは不揮発性メモリにデータを保存する間にバックアップレールＶＭＢＫを供給するのに用いられる。Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３を越えて、時間Ｔ４の間で、変換器１３はＶＭＢＫバックアップレール上に１２Ｖの調整電圧を生成する。変換器１３の具体的なトポロジーは、電源レールＶＣＡＰの電圧がバックアップレールＶＭＢＫの電圧値よりも低いとき、及びそのＶＣＡＰ電源レールの電圧値がＶＭＢＫバックアップレールの電圧値よりも高いときの両方の場合で、出力電圧の安定性を確実にする。よって、ＶＣＡＰ電源レールの電圧の値が期間Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３の終わりで第１の閾値ＶＴ１未満に低下していない低荷重の場合でもシステムは作動する。
【００４７】
補償モジュール１は、「ホット」スワップの動作中の電圧を妨害しないために、主電源レールＰ１２Ｖにいわゆるバルク容量を有さない。その一方でマザーボード回路機構は、バックアップレールＶＭＢＫが変換器１３の正しい動作に必要な出力容量を含むことができるように設計される。実際に、バックアップレール（図１でのみ見られる）の２つの部ＶＭＢＫ及びＶＢＡＴの間に載置されるオアリング型の変換器４のダイオードは、「ホット」プラグ中のマザーボードの主電源レールＰ１２Ｖからの突入電流を全て妨げる。
【００４８】
まとめると、図１に示す補償モジュールは２つの機能、すなわちマイクロ停電中の電力補償及びＡＣ電源故障に続くデータのバックアップ中のデュアルメモリへのバックアップ電力の供給を、比較的単純なまま、したがって比較的安価のままの構造及びシステムの複雑性に有する。
【００４９】
補償モジュール１は電源故障フェーズ中の臨界回路、すなわち全ての不揮発性メモリについての電力損失の影響を制限する回路について、マザーボードに持続した電圧を提供することができる。これはシステムの信頼性を向上させる。容量蓄積素子１２、特にスーパーコンデンサは、いくつかのその他の種類の無停電電源システムよりも良いエネルギー効率を有する。これはその結果として、全体のシステム電力消費量を減少させる。
【００５０】
補償モジュール１は特に、ホットスワップ可能、すなわちシステムを止めなくてもよいという便利な特徴を有する。実際に、補償モジュール１の突然の「ホット」取り外し中に、コントローラ１０は容量素子１２における残留エネルギーによって自己動力供給される。この一時的な自己動力供給は、メンテナンスオペレータに放電が完全でないことを明確に示すことで、放電抵抗２１を通して放電サイクルのより良い管理を可能とする。ＬＥＤなどの適切なインジケータは残るエネルギーの危険性を示して、メンテナンスオペレータに、補償モジュール内でメンテナンス作業を行うのにちょうど良いときまでその前に待機させることを可能とする。これによって、システムの電気安全性を向上させる。
【００５１】
図３は、本発明の一実施形態に係るＤＣ／ＤＣ変換器の例を概略的に示す。電気図は全て自己説明的でり、コンポーネント参照資料及び全ての数値を含むため、より詳細な記載はなされない。この回路は、１２Ｖ電圧ＶＭＢＫが存在する第２次電源レール８に供給する変換器１３内に使用可能な内部回路機構の例を表す。
【００５２】
次にいくつかの可能性のある筋書きについて議論する。これらの筋書きはコンピュータの好ましい例、及び好ましい数値で説明される補正モジュールを用いる。これらの筋書きは電力消費の点で定量的な結果を与え、電気エネルギー蓄積を留保する。これらの筋書きでは、容量蓄積素子はスーパーコンデンサであり、そのように呼ばれる。
【００５３】
第１の通常動作の筋書きでは、完全なユニットは通常に動作しているときに８６０Ｗ放散し、約８０％である変換器の効率性と約２００Ｗの冷却装置の消費量を踏まえて、１３００Ｗを消費するサーバに至る。エネルギー余力は、直列での５つの２０００Ｆセルまたは４００Ｆの等価セルからなる、１２．５Ｖに充電されたスーパーコンデンサのセットからなる。切換スイッチとスーパーコンデンサ１２の寄生抵抗を無視すれば、蓄積エネルギーの使用可能値は１／２＊Ｃ＊Ｖ２＝３１２５０Ｊに等しい。電源レールＶＣＡＰ及び電源レール、つまりは主電源レール及び１２Ｖレール並びに電圧ＶＢＡＴを運ぶバックアップレールの間に配されるＤＣ／ＤＣ変換器は、７０％の平均効率性を有するように考えられ、この値はスーパーコンデンサ１２自体の内部抵抗によって制限される。結果的に、４ｍｓの期間中における１３００Ｗの消費によって、１３００＊０．００４／０．７〜７．５Ｊに等しい蓄積エネルギーが減少する。
【００５４】
次に、２つの電源モジュール２である、ＡＣ１及びＡＣ２のＡＣ入力に同時に影響を与える、２５０ｍｓの期間に等しいマイクロ停電を検出する第２の筋書きに移る。片方のみが影響を受ける場合はささいである。なぜなら、２つの電源モジュール２は１＋１冗長構成を採用し、その特定の場合、１つがもう片方の代わりになるからである。最大１０ｍｓ期間の半波の後に、ＡＣ＿ＦＡＩＬ信号が電源モジュール２から補償モジュール１のコントローラ１０に送られる。コントローラ１０はマイクロプロセッサにＬＰＲＱ（低電力要求）信号を発生させ、ＢｒｉｃｋｌａｎｄプラットフォームのＩｎｔｅｌ  Ｘｅｏｎソケットの場合は双方向ピンＰＲＯＣＨＯＴ＃にて受けることができる。この信号がプラットフォームによって作動されると、マイクロプロセッサは１ｍｓ未満で消費量を第１の電力レベル「Ｐｔｈｒｏｔｔｌｅ」に、そして４ｍｓ未満でＢＩＯＳ設定によって設定可能な第２の電力レベル「ＰＬ２」に低下させる。このピンは「Ｆａｓｔ  ＰＲＯＣＨＯＴ＃」モードで有利に設定することができ、それにより消費に関する第１の反応を１００μｓ未満で提供することができる。
【００５５】
この第２の筋書きでは、スーパーコンデンサ１２のエネルギー消費量は、レベル「ＰＬ２」の設定によって、及びプラットフォームの残留消費量によって、その入出力及びそのメモリを介して判定される。分析されるシステムの消費量は、この状態では「ＰＬ２」であり、約２５０Ｗである。マイクロプロセッサのクロック周波数はその最低値に設定可能であり、結果としてメモリ入出力活動もまた最低限まで減少する。冷却ファンは任意にコントローラ１０によって瞬間的に止められてもよく、ヒートシンクの熱慣性が電気回路のオーバーヒートの危険性なくこのような動作を可能とする。２８８００Ｊの余分からのエネルギー消費はこの場合でもまだとても低い。事実上、蓄積エネルギーの０．３％未満に相当する８７．８＋７．５＝９５．３Ｊの量に合計する。スーパーコンデンサ１２の全部にわたる最終電圧はほとんど変わらない。
【００５６】
次に、２５０から８００ｍｓの間の期間のマイクロ停電を検出する第３の筋書きを検討する。このシステムは、２５０ｍｓを越えた後に、８００ｍｓの期間が切れる前に商用電源が戻ってきた場合にすぐに動作を再始動させる能力を保ちながらも、デュアルメモリ３１内で揮発性メモリ３２のバックアップを不揮発性メモリ３３に作動させるように判断する。オペレーティングシステム（ＯＳ）は止められ、全てのキャッシュは書き出される、つまりは画像化される、すなわちＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）メモリに素早く変換される。この動作は非常に簡単であり、典型的には１ｍｓ未満である。この時点以降、メモリは不揮発性メモリに画像をコピーするために２４０Ｗの値でエネルギーを消費するのみである。書き込み速度はデュアルメモリ３１それぞれにおいて３０ｓ毎に４ＧＢであり、８００ｍｓでは画像のほんの一部のみがコピーされる。３１２５０Ｊの余分からのエネルギー消費量は７．５＋８７．８＋１８８．５＝２８４Ｊ、すなわち蓄積エネルギーの１％未満に合計する。全てのスーパーコンデンサ１２にわたる最終電圧は１２．４４Ｖと等しい。
【００５７】
次に、８００ｍｓより長い停電期間の検出に関与する第４の筋書きを検討する。８００ｍｓの期間を越えると、管理しているコントローラはシステムの制御をなくし、デュアルメモリ３１はデータのバックアップを独立モードで終了させる。商用電源がこのバックアップの終了前に復旧した場合、それでもなおバックアップが、メモリ画像一貫性の理由でコントローラによる制御が戻ることよりも優先され、制御をコントローラに戻すのは不揮発性メモリへの書込みが終了するまで待機する必要がある。この場合、冷却ファンは、エネルギー余分から不必要な電力を消費するのを回避するべくコントローラ１０によって止められるべきである。デュアルメモリ３１それぞれにおいて３０ｓ毎に４ＧＢの書込み速度を維持して、４８個のデュアルメモリ３１が並列して動作するためにバックアップ動作の期間が３０ｓとほとんど等しい状態であるとして、３１２５０Ｊの余分から消費される電力は、従って、蓄積エネルギーの約２５％に相当する７．５＋８７．８＋１８８．５＋７２００Ｊ＝７４８４Ｊとなる。スーパーコンデンサ１２全てにわたる最終電圧は１０．９Ｖと等しくなる。これはより高い容量のデュアルメモリ３１に対応できるだけの余裕をまだ残す。
【００５８】
次に、補償モジュール１のホットスワップに関与する第５の筋書きを検討する。引き抜き可能な補償モジュール１は、管理コントローラの介入なくメンテナンスオペレータによって外される。このモードは時々、サプライズアンプラグ（ｓｕｒｐｒｉｓｅ  ｕｎｐｌｕｇｇｉｎｇ）又はサプライズホットリムーブ（ｓｕｒｐｒｉｓｅ  ｈｏｔ  ｒｅｍｏｖｅ）と呼ばれる。それでもなお、バックアップデータ損失を回避するべく、オペレータに可視の、例えばＬＥＤ型の視覚インジケータが、実行されているいかなるバックアップ動作をも示す。オペレータはこの「突然」の取り外しを行う前に、ランプが消えるまで待たなければならない。視覚指示が消えた状態で、モジュールがそのコネクタから最大で１ｍｍ距離を置かれた直後に、カードケージから短いピンが切断されて、オンボードコントローラ１０に補償モジュール１がシステムから切断されたことを示す。コントローラ１０がスーパーコンデンサ１２のセットから自己動力化されているため、コントローラ１０は電源スイッチ１１を強制的に開かせて主１２Ｖ電源レール９からの電源端子を分離することによる望ましくない影響を避ける。さらに、コントローラ１０は、メンテナンスオペレータにいかなる危険をも負わせることなく、補償モジュール１に修復動作が行われ得るようにエネルギー放出の動作を自動的に実行することができる。電源スイッチ１１は、残留電圧が電源レールＶＣＡＰ上で非常に低い値よりも高くあり続ける限りは、開いたままとなる。結果的に充電されていない新しいモジュールが差し込まれると、コントローラ１０は１２Ｖ電源入力からの電力をもっていき、スーパーコンデンサ１２のセットに制御された電流条件下で充電されることを可能とする。例えば電源モジュール２の最大電流の３％であるこの電流制限によって、出力電流を扱うのに電源モジュール２を過度に大きくする必要なく、補償モジュール１の再充電が可能となる。
【００５９】
明らかに、本発明は記載及び図示される例並びに実施形態に限定されず、当業者によってアクセス可能な数々の変更がなされてもよい。
【図１】
2016012353.tif 000003
【図２】
2016012353.tif 000004
【図３】
2016012353.tif 000005
【外国語明細書】
MICRO POWER OUTAGE COMPENSATING MODULE FOR A SERVER
Field of the Invention
The invention relates to the field of micro power outage compensation modules and to the field of computers incorporating such compensation modules.
BACKGROUND OF THE INVENTION
In a first prior art, electronic systems are known in which failure of the power supply is handled at AC (Alternating Current) level. For example, an Uninterruptible Power Supply (UPS) contains a rectifier, batteries and an inverter to compensate for  outages of a few minutes in electrical power supplied by the AC network. To support a failure in an AC-to-DC (Alternating Current to Direct Current) converter or in a power supply unit (PSU), the latter can be redundant, for example according to a 1 + 1 scheme. In this hypothesis, the two outputs of the power supply units are connected together at the motherboard of the information processing equipment to form a DC supply rail, for instance a 12V rail. This 12V rail feeds a number of downstream load points which are DC to DC voltage converters supplying various power supply voltages to the integrated circuits. Motherboards support several dozens of different load points the power output ranges of each being between a few hundred milliwatts and a few watts. In such a system, the failure of a single load point usually results in a fatal error that results in the loss of data in volatile memory.
According to a second prior art, it is known to use a power backup system based on a power supply outages compensation module for guaranteeing reliability and availability of systems into which it is integrated. It is applied to information processing systems which generally include volatile memory devices and electrical power supply apparatus. Without a compensation module, any major failure of the power supply device results in loss of data stored in the volatile memories. This compensation module performs the function for a power supply backup system to ensure both automatic data backup and easy maintainability of the associated backup system. Maintenance of this type of compensation module is tricky. Indeed, when capacitive storage elements in this type of compensation module need to be changed or checked, the module can be extracted only when the entire system is stopped, that is to say is not running. This means the system's servers must be turned off.
SUMMARY OF THE INVENTION
The object of the present invention is to provide a module for compensating for micro power outages which at least partially overcomes the aforementioned drawbacks.
More particularly, the invention aims to provide a module for compensating for power supply micro power outages which can be suddenly plugged out of the system, even during operation of said server or said servers of the system. This is also called "hot-swapping" or "hot unplugging".
More particularly, the invention also aims to provide a module for compensating for micro power outages which can be suddenly plugged back into the system, even during operation of said server or servers of the system. This is also called "hot plugging".
As capacitive electrical energy storage elements are storage elements that are able to store considerable energy, especially when supercapacitors are employed, their unplugging and reinsertion "hot", that is to say during operation of the one or more server(s) managed by the compensation module in which they are incorporated, would appear to present a challenge.
Indeed, their large storage capacity resulting in an ability to store significant amounts of energy, which in addition is quickly releasable due to their capacitive aspect, makes the risk of excessive inrush current significant, leading to a momentary collapse of the voltage level of the power supply, thereby increasing the risk of system failure during a "hot unplugging" and or during a "hot plugging" operation. There is therefore a technical prejudice against "hot unplugging" and or a "hot plugging" of a component comprising one or more capacitive elements for storing electrical energy having a high storage density .
The invention aims to overcome this technical prejudice by integrating a charging and/or discharge current limitation for the capacitive storage elements and the management of this current limitation by a controller, making possible their hot unplugging or hot plugging without significant risk of excessive inrush current that can cause significant disturbance to the power supply system which in turn could cause a malfunction of the servers and a loss of data in volatile memory in this or these servers.
To this end, the present invention provides a module for compensating for micro power outages in at least one server, comprising at least one capacitive storage element for electrical energy which can subsequently be released for compensating said outages, which is characterized in that it also comprises a controller for charging and/or discharge of said capacitive storage element, limiting a charging and/or discharge current of said capacitive storage element sufficiently to allow said module to be plugged in and/or unplugged even during operation of said server.
To this end, the present invention also provides a computer comprising: one or more microprocessors,  several dual memories each including a RAM memory, a nonvolatile memory  and a controller adapted to save the contents of the RAM memory in non-volatile memory and to reconfigure the RAM memory with the contents of the nonvolatile memory, a main power rail  for powering said microprocessor and said dual memories during operation of said computer in the absence of a micro power outage, adapted to be connected to an external power supply, a secondary power rail for powering of said dual memories during operation of said computer at least when a predetermined duration of a power outage is exceeded, said secondary power rail not powering the microprocessors, a module for compensating for micro power outages comprising capacitive storage elements for electrical energy, which is adapted to supply electric energy to said main power rail on the occasion of micro power outages, but only for said predetermined duration of micro power outage, and which is also adapted to supply electrical energy to said secondary power rail during said power outages, when said predetermined duration of micro power outage has been exceeded..
The secondary power rail is also called a standby power rail.
A micro power outage corresponds to a brief interruption in supply from the utility providing alternating current.
The computer according to the invention or according to preferred embodiments of the invention may employ a micro power outages compensation module according to invention or according to preferred embodiments of the invention. The computer can be a server managed by a compensation module. The same compensation module could also manage multiple servers.
The micro outage compensation module for a server connects directly to the power supply board without the need for cables between the module and the power supply board.
According to preferred embodiments, the invention comprises one or more of the following features  used separately or in partial or full combination therebetween, with either one of the aforementioned subject matter.
Preferably, the module for compensating for micro power outages also comprises an auxiliary power supply switch connecting said controller to said capacitive storage element and which changes state upon unplugging said module during operation of said server so that said controller is powered by said capacitive storage element.  Thus, on the occasion of a micro power outage, what practically amounts to temporary self-powering of the controller, in point of fact by the one or more capacitive storage elements ajoining said controller in the compensation module, allows the controller to handle the sequencing of the power supply outage management operations, and this taking place even though the controller is itself also, like the other components on the network, the victim of this micro power outage which needs to be dealt with.  When the module is unplugged during operation of the server, what we are particularly referring to here is the beginning of the unplugging of the module, and prior to the unlugging of the module being effective or completed, giving time for the unplugging of the said module to be managed correctly.
Preferably, the module for compensating for micro power outages also comprises a discharge switch connecting a discharge resistor to said capacitive storage element and which is driven by said controller during unplugging of said module during operation of said server.  The capacity to storage element or elements are capable of storing a considerable amount of energy for supplying a least the controller for the period of time needed to manage a micro power outage and to be able to supply the dual memories for the period of time needed to back up the data.  As the amount of stored energy can be significant, this can represent a source of danger to the operator performing staff and unplugging.  The discharge resistor makes it possible to discharge the essential part of this energy so as to render handling of the compensating module free from notable risk when the operator is performing hot unplugging or "surprise removal".
Preferably, the module for compensating for micro power outages includes several capacitive storage elements and/or it compensates micro power outages occurring on a supply rail of one or more servers.  In this way, one single compensation module can be sufficient to manage an electrical network.
Preferably, the at least one capacitive storage elements are arranged to provide a backup power both during a micro power outage and when backing up the contents of one or more volatile memories to one or more non-volatile memories.  In addition to these functions of providing standby electrical power, the invention consequently provides the additional function of temporarily supplying temporary electrical power to a controller of the compensating module on the occasion of hot plugging or hot unplugging of the compensating module.
Preferably, the capacitive storage element or elements comprise one or more supercapacitors.  Supercapacitors, although having a more limited capacity than other sources of energy of, for instance, an electrochemical nature, are nevertheless able to deliver their peak power on a much higher number of occasions over the lifetime of the system, and thus handle a distinctly higher number of micro power outages.
Preferably, the compensating module comprises a first power supply terminal which is adapted to be connected to an external power supply and which is connected to said capacitive storage element so as to charge them from said first power supply terminal and to discharge them to said first power supply terminal and a second power supply terminal which is adapted to be connected to said external power supply and which is connected to said controller so as to supply electrical power to said controller.  The capacitative storage element or elements and thereby store energy originating from the utility network when the latter is operating normally, this energy being able to be restituted to the controller on the occasion of a micro power outage.
Preferably, the compensating module includes no capacitance able to cause waveform distortion which is connected to said first power supply terminal and whose value exceeds 500 nanofarads.  In this way, a somewhat complex management of such capacitance does not hinder or complicate management of micro power outages  by the compensating module, nor the hot unplugging of this compensating module.
Preferably, the compensating module includes a first power supply terminal which is adapted to be connected to an external power supply, a main DC/DC converter which is located between said capacitive storage element and said first power supply terminal and which comprises a built-in current limiter which is activated upon said module being plugged in during operation of said server.  In this way, the risk of seeing an excessive inrush current which could be brought about by uncontrolled charging of the capacitive storage element or elements and which could lead to a significant voltage drop on the main power rail, is avoided.
The external electrical power supply incorporates, for its part, an AC to DC converter, this converter being located between the input utility electrical network and the said first power supply terminal.
Preferably, the compensating module includes a second power supply terminal which is adapted to be connected to an external power supply, a secondary DC/DC converter  and a current limiter which are located between said controller and said second power supply terminal.  In this way, under normal operating conditions of the utility supply, the controller is powered from the utility network, without any excessive current peaks.
Preferably, the controller includes a function for detecting a sudden unplugging of said module, this function being connected to a pin which is shorter than the other pins in order to indicate a sudden unplugging operation before it is completely carried out.  In this way, the controller detects, and can perform management at a very early stage, of a sudden unplugging operation of the capacitive storage elements even before its operation is effective, and consequently even before being deprived of electrical power originating from these capacitive storage elements.  This is made possible by the differing lengths of the pins used the plugging the compensating module into the computer.
Preferably, the controller includes a function for detecting said micro power outages which issues one or more requests for reduction of power consumption to one or more servers as soon as a micro power outage is detected.  In this way, as soon as a micro power outage is detected, the majority of the electrical components managed by the controller will rapidly reduce their electrical consumption, allowing the capacitive storage elements to deal even with micro power outages which last a certain time, and this despite their energy storage capacity which remains relatively limited when compared to conventional sources of power, for example of the electrochemical type.
Preferably, the compensating module can be plugged in and/or unplugged even during operation of said one or more servers.
Preferably, the servers or at least some of said servers each comprise one or more microprocessors and/or one or more memories.
Preferably, the said RAM memory is a DRAM memory and said nonvolatile memory is a Flash memory.
Preferably, said computer is a supercomputer comprising a plurality of microprocessors.
The more the system, which is dependent upon a same utility source of power and being managed by the same module for handling micro-outages in said source of power, is complex and/or contains sensitive data which needs to be backed up, the greater the usefulness of the compensating module according to the invention, which is particularly effective from the point of view of relatively reduced complexity and electrical power consumption.
According to preferred embodiments of the invention, the module for compensating micro outages in the power supply makes it possible when compared to a solution consisting in performing backup on an SSD type disk, to limit to the strict minimum the power consumption of the system during the critical operation during which time the processors and the input/output circuits are not powered, only the memory being powered.  The size and cost of the capacitive storage elements are consequently heavily reduced.
According to preferred embodiments of the invention, the module for compensating micro outages in the power supply makes it possible, when compared to a solution employing storage of energy in an electrochemical battery in example of the lithium-ion or lead acid type, to continue to deliver peak power, which is for example at a level of 1400 W (equivalent to around 120 amps at 12 V), up to 500,000 times over the lifetime of the system, whereas this figure is limited to only around 1000 times in the case of electrochemical batteries.
According to preferred embodiments of the invention, the module for compensating micro power outages allows, compared to a solution where the set of capacative storage elements are charged to a voltage significantly higher than the external supply voltage, to dispenses with the use of a power converter between the levels of the charging voltage for the capacitive storage elements and the external power supply voltage.  This makes it possible to reduce the cost and bulkiness of implementing the main switch of the compensating module which can now be reduced to one single power transistor operating in switching mode.  This single transistor will consequently only give rise to a very reduced rise in temperature of the silicon.
Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the following description of a preferred embodiment of the invention, given by way of example and with reference to the accompanying drawings.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
FIG.  1 schematically shows an example of a block diagram of a motherboard of a computer using a micro power outages compensation module according to an embodiment of the invention.
FIG. 2 schematically shows an example of a block diagram of a micro power outages compensation module according to one embodiment of the invention.
FIG. 3 schematically shows an example of DC to DC volage converter according to one embodiment of the invention.
DETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT
FIG. 1 schematically shows an example of a block diagram of a motherboard of a computer using a micro power outages compensation module according to an embodiment of the invention. A computer or a server will be used interchangeably herein to cover the same type of apparatus. The computer that includes the compensation module will be able to support both short outages or micro power outages of power without alteration of system operation, support longer outages or micro power outages without loss of volatile memory data, support simple failures (as opposed to multiple failures) of the majority of load points and power supply modules without data loss, support maintenance by "hot swapping" of power supply modules as well as of modules of capacitive storage elements of the compensation module.
To do this, the circuitry of the computer and particularly the circuitry of the compensation module, detailed in FIG. 2, is able to detect the occurrence of a micro power outage and switch over to the local source of energy, detect long outages or micro power outages and save volatile data in non-volatile memory, to allow "hot swapping" of a power supply module or a capacitive storage element and to reboot the system using the saved data.
In FIG. 1, there can be seen a module 1 for micro power outages compensation, several power supply modules 2, several memory cards, an ORing type converter 4, an external power supply 5 connected to the utility AC supply utility supplying an alternating current, a main power supply rail 9, an auxiliary power supply rail 7 for system startup, a secondary power supply rail made up of sections 6 and 8 located on either side of the converter 4. Each of the rails 6, 7 and 9 is connected to ground via a decoupling capacitor.
Components 1 to 4 have varioust pins connected to various electrical signals. The P12VSB pin corresponds to the input power allowing system startup: its value is 12V. The P5VSUS pin corresponds to the output power for managing, on the motherboard, the control circuits during backup operations: its value is 5V. This output power is also used in hot pluggable compensation module 1. Voltage P12V corresponds to the main power supply for the motherboard: its value is 12V. This rail is used both for input and output at the interface of compensation module 1. Voltage VMBK corresponds to standby power, also called secondary power used during data backup phases. The UCKILL signal is the input signal for detecting a "hot" or surprise unplugging of the compensation module 1. The PMBus signal on the I2C bus allows the control of the controller of compensation module 1 by a maintenance microprocessor mounted on the motherboard. The PROCHOT signal is the output signal asking the motherboard processors to switch to reduced power consumption mode during a micro power outage.
Memory cards 3 each include one or more dual memories 31, each composed of a volatile memory 32 and a nonvolatile memory 33, memories 32 and 33 being both managed by a controller 34. Dual memory 31 is a NVDIMM (for "Non-volatile Dual in Line Memory Module") type memory. Dual memory 31 of the NVDIMM type for example consists of the combination of a volatile DRAM technology memory 32 and a memory 33 in non-volatile Flash technology, combined with an on-board controller 34 to manage backups and data restorations. Multiple power inputs provide power to each dual memory 31. At least one of these imputs is from a local source of energy. The number of dual memories can be quite large on the motherboard, for example 48 per server. In normal operation, the power consumed by these dual memories 31 can reach a significant percentage of the total power dissipated by the server. For example and by way of numerical illustration, the 48 dual memories 31 can dissipate 480W for a 1400W server, or 34% of the total dissipated power.  Compared to this, when the system is run from standby power, dual memory 31 consumption  is much lower, for example of the order of 240W, equivalent to 17% of the total dissipated power. All these dual memories 31 are grouped in eight memory riser cards, each supporting up to six dual memories 31 with a capacity of 4GB and consuming 10W maximum in normal running and 5W in backup, coupled with eight daughterboards each dissipating some ten watts.
The two power supply modules 2 correspond to two 12V power supplies arranged in 1 + 1 redundancy, with an auxiliary output of 12V for standby for rebooting corresponding to voltage P12VSB.
The computer shown in the FIG. 1 also includes two slots for microprocessors having a dissipation of 150W each (not shown in FIG. 1) and a compensation module 1 supporting five 2000F supercapacitors arranged in series. The overall power consumption of the computer in operation is consequently of the order of 1400 W.
It is these local power sources that ensure preservation of system state in nonvolatile memory for any simple failure of the utility power supply. The computer shown in FIG. 1 can thus withstand simple outages with minimal impact on its operation. It can also, if necessary, enable replacement of failed modules to avoid having to undergo a second failure while the system is in degraded mode.  A brief power outage is for this reason considered as a simple failure of power supply.
Compensation module 1 acts as an emergency power supply in the following two cases, namely, firstly, to ensure the operation of the computer during short outages of utility power and secondly to safeguard the contents of volatile memory in the case of long outages of AC utility power. Compensation module 1 then acts as a third power supply module that acts as backup for the two standard power supply modules 2. It adds to the interface of these two power supply modules 2 a secondary power rail 8 which is an input to the converter 4 supplying the backup voltage to the memory subsystem. This separation allows total disconnection of the powering of microprocessors, disks, and input/output circuits during the backup operation of the content of volatile memories 32 in the nonvolatile memories 33.
FIG. 2 schematically shows an example of a block diagram of a micro power outages compensation module board according to one embodiment of the invention. Compensation module 1 includes a controller 10, a power switch 11, capacitive storage elements 12, a buck-boost type DC-to-DC converter 13, a main DC-to-DC converter 16 with a first booster stage 14 and a second  buck stage 15, a buck-type DC-to-DC converter 17, a buck-type DC-to-DC converter 18, a device 19 the output of which generates a stabilized voltage P5VSUS of 5V value, all the elements 17, 18 and 19, forming a secondary DC-to-DC converter 20, and a discharge resistor 21. The power switch 11 controls access to the first terminal 22 of the power supply connected to the external power supply 5, of both the capacitive storage elements 12 as well as main converter 16. The converter 17 is connected to a power supply 7 via second power supply terminal 23. Passage of the discharge current from capacitive storage elements 12 to ground through the discharge resistor 21 is controlled by transistor 24 which itself is controlled by the controller 10. The capacative storage elements 12 are advantageously supercapacitors. The device 19, for example of the ORing type, incorporates both a function of auxiliary power switch and a function of current limiter.
The interface of the compensation module with other functions of the motherboard is performed by the following signals present on the corresponding pins. Power supply P12V is connected to the external power supply 5 connected to the power supply modules 2 which are themselves provided with AC to DC converters connected to the utility AC supply. These two power supply modules 2 may preferably operate in 1 + 1 redundancy. The level of the external power supply 5 is 12V. Each power supply module 2 provides a low power supply P12VSB allowing system startup when the utility AC supply is present. Power supply P12VSB also has a value of 12V. Backup power supply VMBK provided by the compensation module 1 is connected to the converter 4 which is described in FIG. 1. The UCKILL signal is connected to ground (GND for "Ground") of the motherboard by a pin that is shorter than the others. The P5VSUS power supply and PROCHOT and PMBus signals are connected to the motherboard power management features that are not shown in FIG. 2 for simplicity.
In compensation module 1, a secondary low power converter 17 starts automatically with the rise of auxiliary power supply P12VSB and provides a first auxiliary voltage P5VSUS to controller 10. The booster stage 14 of the main converter 16 generates a power supply P21V, having a value of 21V value, which is used by the buck stage 15 of main converter 16 and the control circuits for the gates of the power switch circuit 11. The controller 10 starts the buck stage 15 of the main converter 16 to ensure charging of the storage elements 12 connected between ground and the VCAP power rail. Power switch 11, the converter 13 and the discharge resistor 21 are also connected to this VCAP power rail. The controller 10 is able to handle all the local voltages such P12V, VBAT and VMBK.
The controller 10 can take the form of a CPLD ("Complex Programmable Logic Device") type circuit, an FPGA ("Field Programmable Gate Array"), a DSP ("Digital Signal Processor") type of microcontroller or a combination thereof. Its role is to sequence the charge and discharge operations of capacitive storage elements 12 in the various phases of operation, these being: powering  up of the system, detection of a utility AC supply micro power outage, detection of an AC power failure with or without saving data to non-volatile memory, "hot" swapping of compensation module 1.
During power-up, converter 17 starts the controller 10. The power switch 11 is maintained in the OFF state by the UCX signal from controller 10. The controller 10 starts the buck stage 15 of converter main 16 through the UCC signal. The buck stage 15 of the main converter 16 charges the capacitive storage elements 12 at constant current to their nominal voltage and switches to float mode. When the VCAP power rail reaches a first determined threshold, the converter 18 is started and gives support to converter 17 by means of the transistors of device 19 of the ORing type the output of which is voltage P5VSUS of a value of 5V which supplies the controller 10 . When the VCAP power rail reaches a second predetermined threshold value, converter 13 is started by the UCW signal from controller 10 and provides backup voltage VMBK to the computer's motherboard shown in FIG. 1. During this power up, the capacitive storage elements 12 have been isolated from the main power rail P12V by power switch 11. Therefore, they do not short circuit the outputs of the power supply modules 2 shown in FIG. 1. In their absence, "hot" connection of compensation module 1 would cause these two power supply modules to trip.
Upon detection of a micro power outage, the controller 10 detects a drop in the voltage level on the main power rail P12V supply by means of a threshold comparator and responds in less than a few microseconds by the closure of the switch power 11. The internal resistance of the capacitive storage elements 12 and the power switch 11 is determined so that the main power rail P12V stabilizes just at a first threshold VT1. During a given period T1, which is usually a few ms, the capacitive storage elements 12 provide the motherboard of the computer with its rated power. Beyond period T1, controller 10 issues signal PROCHOT requesting the microprocessors of the motherboard to switch to low-power mode. With microprocessors currently available, the power reduction can reach 80% compared to the nominal power. The response time T2 to this reduction in charge is less than 1ms. When the micro power outage ends, the P12V supply voltage returns to its nominal value since power supply modules 2 have restarted and are again capable of powering the motherboard normally. In the seconds after a micro power outage, buck 15 of the main converter 16 re-charges the storage capacitor elements 12 to their nominal voltage. The charging time is proportional to the actual duration of the micro power outage.
Upon detection of an interruption in external power from the AC utility with backup of data in non-volatile memory, the controller 10 detects a drop in the voltage level on the main power rail P12V by means of a threshold comparator and reacts within a few microseconds by closing power switch 11. The internal resistance of the capacitive storage elements 12 and of the power switch 11 is determined so that the main power rail P12V stabilizes just at the level of a first threshold VT1. For a given time T1, which is usually a few ms, the capacitive elements 12 provide storage to the motherboard rated power. Beyond T1, the controller 10 issues signal PROCHOT that asks the microprocessors of the motherboard to switch to low-power mode. With microprocessors currently available, the power reduction can reach 80% compared to the nominal power. The response time T2  to this drop in charge is less than 1ms. For a set time T3, beyond T1 + T2, the controller 10 assumes that the drop in voltage P12V originates from a micro power outage and waits. While waiting, if at the end of T1 + T2 + T3, the voltage of signal P12V has not risen above the first threshold VT1, the controller 10 passes to the phase of backing up data in nonvolatile memory. At this point in time, the controller opens power switch 11, which has the effect of causing a voltage drop in voltage P12V below the first threshold VT1. The capacitive storage elements 12 are consequently isolated from the main power rail supply P12V and the remaining energy will be used to supply backup rail VMBK during saving of data in non-volatile memory. Beyond T1 + T2 + T3, and during a time T4, converter 13 generates a regulated voltage of 12V on the VMBK backup rail. The particular topology of converter 13 ensures the stability of the output voltage both in the case where the voltage on the power rail VCAP is lower than the voltage value on the backup rail VMBK as well as when this voltage value on the VCAP power rail is higher than the voltage value on the VMBK backup rail. Thus, the system works even in the case of low load where the value of the voltage on VCAP power rail has not fallen below the first threshold VT1 at the end of the period T1 + T2 + T3.
Compensation module 1 does not have a so-called bulk  capacitor on the main power rail P12V in order not to disturb the voltage during operation of "hot" swapping. The motherboard circuitry is on the other hand designed so that the backup rail VMBK can include output capacitors, required for the correct operation of converter 13. Indeed, the diodes of the converter 4 of the ORing type mounted between the two sections VMBK and VBAT of the backup rail (only visible in FIG. 1) block all current inrush from the main power rail P12V of the motherboard during "hot" plugging.
In summary, the compensation module, shown in FIG. 1 has two functions, namely the power compensation during micro power outages and the provision of backup power to the dual memories during data backups subsequent to an AC power failure, all this in a structure and system complexity which remains relatively simple, and therefore relatively inexpensive.
Compensation module 1 can provide a sustained voltage to the motherboard for critical circuits during power failure phases, i.e. for circuits that limit the impact of the loss of power as regards all non-volatile memories. This improves the reliability of the system. The capacitive storage elements 12, and in particular the supercapacitors have better energy efficiency than some other types of uninterruptible power supply systems. This therefore reduces overall system power consumption.
The compensation module 1 in particular has the useful feature of being able to be hot swapped i.e. without stopping the system. Indeed, during a surprise “hot" removal of compensation module 1, the controller 10 remains self-powered by the residual energy in the capacitive elements 12. This temporary self-powering allows better management of the discharge cycle through the discharge resistor 21, by indicating clearly to the maintenance operator that discharge is not complete. Appropriate indicators, such as LEDs, indicate the danger of remaining energy and thus allow the maintenance operator to wait for the right moment before working inside the compensation module to perform maintenance work there. This improves the electrical safety of the system.
FIG. 3 schematically shows an example of a DC-to-DC converter according to one embodiment of the invention. The electrical diagram is self-explanatory, and as it contains all the component references and all numerical values, it will not be described in greater detail. This circuit represents an example of the internal circuitry that can be used in converter 13 which feeds secondary power rail 8 on which the 12V voltage VMBK is present.
We shall now discuss some possible scenarios. These scenarios use the preferred examples of the computer and correction module described with preferred numerical values. These scenarios give quantitative results in terms of power consumption and reserve electrical energy storage. In these scenarios, the capacitive storage elements are supercapacitors, and will be called as such.
In a first normal operating scenario, the complete unit dissipates 860W when operating normally, leading, taking account of the efficiency of the converters which is about 80% and the consumption of the cooling apparatus which is approximately 200W, to a server which is consuming 1300W. The energy reserve consists of a set of supercapacitors made up of five 2000F cells in series or 400F equivalent cells, charged to 12.5V.  If we neglect the parasitic resistance of the transfer switches and supercapacitors 12, the usable value of the stored energy is equal to 1/2 * C * V2 = 31250J. The DC-to-DC converters located between the power rail VCAP and the power rails, that is the main power rail as well as the 12V rail and the backup rail carrying voltage VBAT, are considered to have an average efficiency of 70%, this value being limited by the internal resistance of the supercapacitors 12 themselves.  Consequently, a consumption of 1300W during a period of 4ms will be responsible for a reduction of the stored energy equal to 1300 * 0.004/0.7 ~ 7.5J.
Turning now to a second scenario for detecting a micro outage of duration equal to 250ms, which simultaneously affects both AC inputs of the two power supply modules 2, AC1 and AC2.  The case where only one of them is affected is trivial because the two power supply modules 2 employ 1 + 1 redundancy and in that particular case one would take over from the other. After a half-wave of 10ms maximum duration, AC_FAIL signals are sent from power supply modules 2 to the controller 10 of compensation module 1. The controller 10 issues a LPRQ (Low Power Request) signal to the microprocessors, which in the case of an Intel Xeon socket on a Brickland platform can be received at bidirectional pin PROCHOT#. When this signal is enabled by the platform, the microprocessor reduces its consumption in less than 1ms to a first power level "Pthrottle" then, in less than 4ms, to a second power level "PL2" which is configurable in the BIOS settings. This pin can advantageously be configured in "Fast PROCHOT #" mode which makes it possible to provide a first reaction regarding consumption in less than 100μs.
In this second scenario, energy consumption on supercapacitors 12 is determined by the setting of level "PL2" and by the residual consumption of the platform through its inputs and outputs and its memories. The consumption of the system being analyzed is, in this state "PL2", of the order of 250W. The clock frequencies of the microprocessors have been able to be set to their lowest value, with the result that memory input and output activity is also reduced to a minimum. The cooling fans may optionally be momentarily stopped by the controller 10, the thermal inertia of the heat sinks allowing such an operation without a risk of overheating the electrical circuits. Energy consumption from the reserve of 28800J is still very low in this case. It amounts in effect to 87.8 + 7.5 = 95.3J, equivalent to less than 0.3% of the stored energy. The final voltage across all the supercapacitors 12 will be virtually unchanged.
We shall now consider a third scenario of detecting a duration of micro power outage of between 250 and 800ms. The system will decide, after 250ms have elapsed,  to initiate backup of the volatile memory 32 in the nonvolatile memory 33 within dual memory 31, while maintaining the ability to instantly restart operation if utility power comes back before the expiry of the duration of 800ms. The operating system (OS) is stopped and all caches are flushed, that is to say imaged, i.e. converted quickly into DRAM (Dynamic Random Access Memory) memory. This operation is very brief, typically less than 1 ms. From this point on, memory is only consuming energy for copying the image into non-volatile memory, for a value of 240W. Writing speed being 4GB per 30s per dual memory 31, only a small part of the image will be copied in 800ms. Energy consumption from the reserve of 31250J amounts to 7.5 + 87.8 + 188.5 = 284J, i.e.less than 1% of the stored energy. The final voltage across all supercapacitors 12 will be equal to 12.44V.
We shall now consider a fourth scenario involving detecting a duration of power outage greater than 800ms. The duration of 800ms being exceeded, the managing controller will lose control of the system and dual memories 31 will end data backup in standalone mode. If utility power is restored before the end of this backup, this backup will nevertheless take priority over a return to control by the controller which will have to wait until writing into non-volatile memory has terminated, for reasons of memory image consistency. The cooling fans should in this case be stopped by controller 10 to avoid consuming unnecessary power from the energy reserves. Maintaining a 4GB per 30s  writing speed per dual memory 31, with the duration of the backup operation being at most equal to  30s since the 48 dual memories 31 operate in parallel, power consumed from the reserve of 31250J therefore amounts to 7.5 + 87.8 + 188.5 + 7200J = 7484J which is equivalent to about 25% of the stored energy. The final voltage across all the supercapacitors 12 will be equal to 10.9V. This still leaves a margin for supporting dual memories 31 of higher capacity.
We shall now consider a fifth scenario involving hot swapping of a compensation module 1.  Unpluggable compensation module 1 is removed by the maintenance operator without intervention on the part of the management controller. This mode is sometimes called surprise unplugging or surprise hot remove.  Nevertheless, to avoid losing backup data, a visual indicator, for example of the LED type, visible to the operator, indicates any backup operation which is running.  The operator must wait for the lamp to go out before performing this "surprise" removal.  With the visual indication off, as soon as the module is distanced from its connector by at the most 1 mm, a short pin will become disconnected from the card cage and indicate to on-board controller 10 that compensation module 1 has been disconnected from the system.  Because controller 10 is self-powered from the set of supercapacitors 12, it forces opening of power switch 11 to avoid any undesirable effect upon separation of the power terminals from the main 12 V power supply rail 9.  Additionally, controller 10 can automatically execute the operations of energy discharge to allow a repair operation to be performed on compensation module 1, without any risk to the maintenance operator.  Power switch 11 remains open as long as the residual voltage remains higher than a value, which is very low, on power rail VCAP.  When a new module which consequently is not charged, is plugged in, controller 10 will take its power from the 12 V power input consequently allowing the set of supercapacitors 12 to charge under controlled current conditions.  This current limitation, which for instance is 3% of the maximum current of power supply modules 2, allows recharging of compensation module 1, without the need for power supply modules 2 to be over-dimensioned to handle output current.
Obviously, the present invention is not limited to the examples and embodiments which have been described and illustrated, but may be subject to numerous variations accessible to those skilled in the art.
CLAIMS
1. A module for compensating for micro power outages in at least one server, comprising at least one capacitive storage element (12) for electrical energy which can subsequently be released for compensating said outages, characterized in that it also comprises a controller (10) for charging and/or discharge of said capacitive storage element (12), limiting a charging and/or discharge current of said capacitive storage element (12) sufficiently to allow said module to be plugged in and/or unplugged even during operation of said server.
2. The module for compensating for micro power outages according to claim 1, characterized in that it also comprises an auxiliary power supply switch (19) connecting said controller (10) to said capacitive storage element (12) and which changes state upon unplugging said module during operation of said server so that said controller (10) is powered by said capacitive storage element (12).
3. The module for compensating for micro power outages according to claim 1 or 2, characterized in that it also comprises a discharge switch (24) connecting a discharge resistor (21) to said capacitive storage element (12) and which is driven by said controller (10) during unplugging of said module during operation of said server.
4. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises several capacitive storage elements (12) and/or in that it compensates micro power outages occurring on a supply rail (5) of one or more servers.
5. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one capacitive storage elements (12) are arranged to provide a backup power both during a micro power outage and when backing up the contents of one or more volatile memories to one or more non-volatile memories.
6. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that the one or more capacitive storage elements (12) comprise one or more supercapacitors.
7. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a first power supply terminal (22) which is adapted to be connected to an external power supply (5) and which is connected to said capacitive storage element(s) (12) so as to charge them from said first power supply terminal (22) and to discharge them to said first power supply terminal (22) and a second power supply terminal (23) which is adapted to be connected to said external power supply (5) and which is connected to said controller (10) so as to supply electrical power to said controller (10).
8. The module for compensating for micro power outages according to claim 7, characterized in that it includes no capacitance able to cause waveform distortion which is connected to said first power supply terminal (22) and whose value exceeds 500 nanofarads.
9. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a first power supply terminal (22) which is adapted to be connected to an external power supply (5), a main DC/DC converter (16) which is located between said capacitive storage element (12) and said first power supply terminal (22) and which comprises a built-in current limiter which is activated upon said module being plugged in during operation of said server.
10. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a second power supply terminal (23) which is adapted to be connected to an external power supply (5), a secondary DC/DC converter (20) and a current limiter (19) which are located between said controller (10) and said second power supply terminal (23).
11. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that said controller (10) includes a function for detecting a sudden unplugging of said module, said function being connected to a pin which is shorter than the other pins in order to indicate a sudden unplugging operation before it is completely carried out.
12. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that said controller (10) includes a function for detecting said micro power outages which issues one or more requests for reduction of power consumption to one or more servers as soon as a micro power outage is detected.
13. A module for compensating for micro power outages for one or more servers, characterized in that it can be plugged in and/or unplugged even during operation of said one or more servers.
14. The module for compensating for micro power outages according to any one of the preceding claims, characterized in that said servers or at least some of said servers each comprise one or more microprocessors and/or one or more memories.
15. A computer comprising:
- one or more microprocessors,
- several dual memories (31) each including a RAM memory (32), a nonvolatile memory (33) and a controller (34) adapted to save the contents of the RAM memory (32) in non-volatile memory (33) and to reconfigure the RAM memory (32) with the contents of the nonvolatile memory (33),
- a main power rail (9) for powering said microprocessor and said dual memories (31) during operation of said computer in the absence of a micro power outage, adapted to be connected to an external power supply (5),
- a secondary power rail (6, 8) for powering of said dual memories (31) during operation of said computer at least when a predetermined duration of micro power outage is exceeded, said secondary power rail (6, 8) not powering the microprocessors,
- a module (1) for compensating for micro power outages comprising capacitive storage elements (12) for electrical energy, which is adapted to supply electric energy to said main power rail (9) on the occasion of micro power outages, but only for said predetermined duration of micro power outage, and which is also adapted to supply electrical energy to said secondary power rail (6, 8), during micro power outages, when said predetermined duration of micro power outage has been exceeded.
16. The computer of claim 15, characterized in that said module (1) for compensating for micro power outages is a module (1) for compensating for micro power outages according to any one of claims 1 to 14.
17. The computer of claim 15 or 16, characterized in that said RAM memory (32) is a DRAM and in that said nonvolatile memory (33) is a Flash memory.
18. A computer according to any one of claims 15 to 17, characterized in that said computer is a supercomputer comprising a plurality of microprocessors.
ABSTRACT
A micro power outages compensation module for at least one server comprises one or more capacitive storage element for storing electrical energy which is releasable for compensating said outages, futher comprises a controller for the charging and/or the discharge of the capacitive storage element(s), limiting the charging and/or discharge current of the capacitive storage element(s) sufficiently to enable hot plugging and/or unplugging of the module even during operation of the server.
【図１】
2016012353.tif 000006
【図２】
2016012353.tif 000007
【図３】
2016012353.tif 000008