Блок выпрямителя электронно-вычислительного устройства

Область техники, к которой относится полезна модель
Полезная модель относится к компьютерной технике, в частности, к средствам питания электронно-вычислительных устройств, в том числе в сетевых коммутаторах, серверах, центрах обработки данных и др.
Уровень техники
В качестве наиболее близкого аналога выбрана система управления электрической мощностью, содержащая множество регуляторов в точке нагрузки, каждый из которых предназначен для передачи регулируемой мощности в нагрузку, последовательную шину данных, оперативно соединяющую множество регуляторов, и цифровой диспетчер мощности, подключенный к шине данных (US 2006015616, опубликован 19.01.2006). Недостатком данного известного средства является отсутствие эффективной защиты от пониженного или повышенного напряжения и отсутствие возможности добавлять поддержку новых потребителей путем смены прошивки микроконтроллера без изменений в составе аппаратной части платы логики.
Сущность полезной модели
Задачей, решаемой полезной моделью, является расширение эксплуатационных возможностей средств питания электронно-вычислительного оборудования.
Техническим результатом от осуществления полезной модели является возможность адаптирования ИТ оборудования различных форм-факторов (в частности, форм-фактора 19'') для работы от токоведущей шины стойки (шасси-статива) центра обработки данных, путем замены штатных блоков питания переменного тока планируемого к установке ИТ оборудования, на выпрямители, обеспечивающие характеристики питания, соответствующие моделям ИТ оборудования и, имеющие форм-фактор штатных блоков питания.
Указанный технический результат достигается тем, что блок выпрямителя электронно-вычислительного оборудования содержит корпус, установленные в упомянутом корпусе силовую плату и плату логики, соединенные между собой слаботочным коннектором, упомянутая силовая плата содержит средство соединения с шиной питания, средства подключения к потребителям, транзисторы, средство соединения с платой логики, упомянутая плата логики содержит, по меньшей мере, одну микросхему защиты, микроконтроллер для реализации функции самодиагностики и обмена данными с коммутатором по шине I2C, микросхему генератора тактовых импульсов и микросхему памяти для хранения служебных данных.
Указанный технический результат достигается также тем, что плата логики снабжена световыми индикаторами режимов работы.
Указанный технический результат достигается также тем, что количество транзисторов в силовой плате составляет от 2 до 16.
Отличительной особенностью настоящей полезной модели является то, что коммутация входного питания осуществляется силовыми транзисторами, которые также управляют и микросхемами защиты.
Перечень фигур чертежей
На Фиг. 1 показана структурная схема силовой платы.
На Фиг. 2 показана структурная схема платы логики.
Осуществление полезной модели
В современном мире потребности пользователей и требования к технологии и обработке информации постоянно растут. Особенно большие изменения происходят в области хранения и обработки больших массивов данных, в так называемых центрах обработки данных.
Центры обработки данных (другое название - системы обработки информации) имеют различную конструкцию и состав ИТ-оборудования в зависимости от того, какая информация обрабатывается, каким способом обрабатывается информация, какое количество информации обрабатывается, хранится или передается в единицу времени, и насколько быстро и эффективно информация должна быть обработана, сохранена или передана.
Степень гибкости систем обработки информации определяют различия их конструкций и позволяют классифицировать их на универсальные или узкоспециализированные, т.е. применимые только для конкретного пользователя или конкретного использования, такого как обработка финансовых транзакций, резервирование авиабилетов, хранение корпоративных данных, глобальные коммуникации, блокчейновые технологии и пр. Кроме того, системы обработки информации могут включать в себя множество аппаратных и программных компонентов, которые могут быть сконфигурированы для обработки, хранения и передачи информации, и могут включать в себя одну или несколько компьютерных систем, систем хранения данных и сетевых систем.
Одним из важных свойств систем обработки информации является их универсальность по типоразмерам ИТ оборудования и по питанию, т.е. возможность быстрого и удобного размещения в шасси-стативах широкой номенклатуры ИТ оборудования. Универсальность, свою очередь, определяется возможностью адаптации системы, как по геометрическим параметрам, так и по функциональным возможностям, и т.д.
Обычно, при создании системы обработки данных, изменяют силовую систему электрического питания шасси-статива, чтобы она соответствовала тому ИТ оборудованию, которое устанавливается в шасси-статив.
Системы обработки информации на основе шасси-стативов (известных также под названием «стойки») позволяют развертывать крупномасштабные системы в единой структуре. Такие шасси-стативы могут содержать множество отдельных серверов или серверных узлов (в совокупности называемых «ИТ-оборудование»), которые могут быть также полностью самостоятельными функциональными блоками. Эти отдельные блоки функционируют как системы с самостоятельным управлением и, таким образом, каждый из них оснащен индивидуальными системами управления охлаждением, питанием и локальным управлением системой, независимо от других систем в шасси-стативе. Это ИТ-оборудование также предназначено для размещения в конкретной конфигурации шасси-статива и, таким образом, обычно имеют стандартные размеры по ширине и глубине. Кроме того, в зависимости от конкретных задач, ИТ-оборудование выбирается с определенной стандартной постоянной высотой, которая определяет размер ячеек шасси-статива, в которые это оборудование встраивается.
Таким образом, системы обработки информации (центры обработки данных) состоят из механической составляющей (шасси-статив), электронной (ИТ-оборудования) и силовой (схемы питания).
Настоящая полезная модель направлена на то, чтобы иметь возможность адаптировать ИТ оборудование, например форм-фактора 19'', для работы от токоведущей шины шасси-статива (стойки системы обработки данных), путем замены штатных блоков питания переменного тока устанавливаемого ИТ оборудования на выпрямители, обеспечивающие все характеристики питания, соответствующие моделям ИТ оборудования и, имеющие форм-фактор штатных блоков питания для соответствующего видов оборудования.
Блок выпрямителя содержит корпус, имеющий внешние размеры в соответствии со стандартом ИТ оборудования.
Внутри корпуса установлены силовая плата (Фиг. 1) и плата логики 5 (Фиг. 2), соединенные между собой слаботочным коннектором.
Силовая плата содержит средство (разъем) соединения с шиной 1 питания. Шиной питания в шасси-стативах соответствующих стандарту OCP (the Open Compute Project) является бусбар, электрически соединенный с зоной питания шасси-статива.
Силовая плата содержит средства (разъемы) подключения к потребителям (ИТ оборудованию), транзисторы 2, средство 4 соединения с платой логики 5. Силовая плата может содержать блок 6 низкого падения напряжения (порог низкого значения 3,3 В). Силовой блок может содержать измерительные токовые шунты 3 для отключения блока при превышении пороговых значений тока.
Плата логики 5 содержит, по меньшей мере, одну микросхему защиты, микроконтроллер 8 для реализации функции самодиагностики и обмена данными с коммутатором по шине I2C, микросхему генератора 14 тактовых импульсов и микросхему 11 памяти для хранения служебных данных.
I2C означает последовательную асимметричную шину для связи между интегральными схемами внутри электронных приборов, а также соответствующие интерфейс и протокол.
Блок выпрямителя служит для подключения внешнего потребителя (ИТ оборудования) к шине питания OCP в шасси-стативах центров обработки данных и предназначен для обеспечения защиты этого потребителя в случае возникновения каких-либо неполадок по питанию.
При превышении заданного производителем ИТ оборудования порогового значения потребления тока на стороне потребителя, блок выпрямителя в соответствии с настоящей полезной моделью выполняет отключение основного питания потребителя и осуществляет попытку перезапуска оборудования через заданный производителем временной интервал времени задержки.
Изменяя логические состояния цифровых выводов, коммутатор входного питания на транзисторах 2 может принудительно отключить блок питания, что может потребоваться при работе с резервным блоком питания.
Поддержка I2C шины позволяет коммутатору запрашивать предусмотренную производителем информацию о подключенном блоке выпрямителя.
В качестве микроконтроллера 8 может, в частности, использоваться микроконтроллер Atmega32u4 для реализации функции самодиагностики и обмена данными с коммутатором по шине I2C.
Микросхема 11 памяти для хранения служебных данных представляет собой модуль EEPROM памяти.
Силовая плата содержит от 2 до 16 силовых транзисторов 2 (например, IPB180N04S4-00), которые обеспечивают коммутацию входного питания.
Транзисторы 2 управляются двумя микросхемами защиты 9 и 10. Опционально на силовой плате могут быть установлены повышающие преобразователи для повышения напряжения до необходимого уровня.
В качестве варианта исполнения, плата логики 5 может содержать первую 9 и вторую 10 микросхему защиты.
Первая микросхема 9 защиты, в качестве которой может использоваться микросхема LTC4364HDE-2, реализует защиту от пониженного напряжения, повышенного напряжения, реализует задержки перед повторными включениями после сбоя ИТ оборудования, осуществляет контроль выходного напряжения выпрямителя, реализует отключение блока при превышении пороговых значений тока через измерительные токовые шунты 3.
Вторая микросхема 10 защиты, в качестве которой может использоваться микросхема LTC4151CMSPBF, является датчиком тока с возможностью опроса по I2C шине.
Плата логики может содержать резервный блок 7 низкого падения напряжения (порог низкого значения от 3,3 В до 5 В).
Взаимодействие компонентов по протоколу I2C обеспечивается блоками 12 и 13. Плата 5 логики содержит средства 15 соединения.
За счет размещения всех цифровых микросхем на отдельной плате удалось существенно повысить ширину полигонов силовых линий, а также понизить технологические нормы производства силовых печатных плат.
Благодаря отсутствию силовых трансформаторов в составе устройства удалось повысить КПД устройства до 98,32% при 100% нагрузке, что выше, чем 95% кпд при 50% нагрузке у аналогов. Рост КПД приводит к уменьшению тепловыделения блоков выпрямителей, что снижает затраты на организацию охлаждения в серверной стойке. За счет сокращения числа силовых элементов на плате существенно повышается надежность изделия и сокращается его стоимость.
Благодаря размещению всех необходимых цифровых микросхем на отдельной плате, можно использовать более крупные типоразмеры деталей, за счет чего удешевляется процесс монтажа.
За счет выделения цифровых микросхем на отдельную плату логики, которая является совместимой с различными силовыми платами различных блоков выпрямителей удается увеличить тираж плат логики и дополнительно снизить стоимость производства изделий.
Благодаря небольшому сопротивлению силовых ключей и печатной платы блок выпрямителя не нуждается в активном принудительном охлаждении, это позволяет исключить дорогостоящий кулер из состава изделия.
Блоки выпрямителей оптимизированы для использования в погружных системах с жидкостными системами охлаждения.
Благодаря установке микроконтроллера удалось реализовать поддержку режимов самодиагностики основных цепей питания, что позволяет существенно уменьшить количество бракованных изделий в дальнейшем.
Благодаря подключению микроконтроллера в шину I2C в качестве посредника между цифровыми микросхемами платы логики и коммутатором, появилась возможность добавлять поддержку новых потребителей путем смены прошивки микроконтроллера без изменений в составе аппаратной части платы логики.
Форм-фактор выпрямителя в соответствии с настоящей полезной моделью и внешние габариты не отличаются от существующих блоков питания.
Мощность выпрямителя может достигать 450-2000 Вт.
Сила тока по линии + 3.3 В составляет 3 А.
Сила тока по линии + 5 В составляет 3 А.
Сила тока по линии + 12 В составляет 45-170 А.
Сила тока по линии + 12 vsb В составляет 3 А.
Блок выпрямителя обладает широкими функциональными возможностями благодаря реализации следующих функций: защита по повышенному напряжению, защита от пониженного напряжения, защита от короткого замыкания, защита от превышения тока, удаленное включение\отключение, защита от дуговых разрядов при извлечении, RoHS compliant, коррекция коэффициента мощности (Power Factor Correction).