一种用于超级计算机的供电方法.docx

一种用于超级计算机的供电方法专利名称：一种用于超级计算机的供电方法技术领域：本发明主要涉及到计算机的供电技术领域，特指一种适用于超级计算机的供电方法背景技术：超级计算机强大的数据处理能力为人类社会认识和改造自然界的活动带来了前所未有的帮助然而，人们在越来越广泛地应用超级计算机时发现，超级计算机在给人类 “造福”的同时也在大量消耗着人类社会宝贵的能源因此，不仅使用单位迫切地希望能降低超级计算机的电能消耗，国际超级计算机TOP 500评选活动也将能效比(计算机处理能力与耗电量之比)列为超级计算机的三大评选指标之一就目前来说，超级计算机使用的主要输入能源是220V/380V交流电，其内部电源给数据处理芯片供电的电压是0. 75疒5V直流电(其中主要供电电压在0. m 2. 5V之间)，在从220V/380V交流电到低压直流电的变换过程中通常要损耗四分之一以上的电能电源变换过程中的电能损耗与超级计算机的供电方式密切相关，供电方式即是指怎样将交流电变换成数据处理芯片所需的各种低压直流电不论采用何种供电方式都要受超级计算机特有供电要求的限制I、刀片式结构是当前超级计算机的一种常用结构，即多块相互平行的插件板经插头和插座连接与它们垂直的机柜背板，各插件板之间通过机柜背板实现电气连接(包括信号、电源和地线连接)。

为提高机器的组装密度，往往相邻插件板的中心距通常只有IU (约44毫米)2、由于超级计算机的数据处理芯片对电源的稳定性和瞬态响应能力有较高要求， 电源的输出端口需尽可能靠近用电芯片，以减少从电源端口到芯片之间的电压降，并提高电源在负载电流突然变化时的瞬态响应能力然而另一方面，出于安全和减少电磁干扰等方面的考虑，又不能将220V/380V交流电直接接入插件板和机柜背板，从而决定了超级计算机的供电需要通过多级电源变换来实现3、与其它电子设备的供电要求有所不同，在超级计算机中直接为数据处理芯片供电的末级电源一般不采用隔离型(带变压器的)稳压电源，因这类电源的瞬态响应能力不够而非隔离型稳压电源不允许输入电压太高，否则PWM占空比会很低，导致电源变换的效率低和电源变换时产生的电磁干扰大目前，许多高档CPU都采用12V输入的非隔离型电源供电现有技术中，一种适用于超级计算机的传统供电方式如图I、图2、图3和图7所示前级电源I将交流市电变换成48V直流电，前级直流母线2将前级电源I输出的电能输送到计算机的机柜背板3上，机柜背板3通过插件板电源输入插座301将电能送入各插件板7 ;各插件板7上的中间级电源4将48V直流电转变成12V直流电，后级直流母线5将 12V直流电送至各个末级电源6 ;位于数据处理芯片附近的末级电源6将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压。

其中，前级电源I由多台具有图2所示结构的普通的AC/DC电源11并联组成，每台AC/DC电源11的内部包括交流电输入接口 111、整流桥112、升压与输入功率因数校正电路113以及降压型DC/DC变换电路114前级直流母线2为一组 (两根)铜电缆或汇流铜条机柜背板3的结构如图7所示，前级直流母线2输送的48V直流电通过连接前级直流母线的端子303弓丨入机柜背板3，再经机柜背板3中的导电铜层送至各个插件板电源输入插座301中间级电源4采用48VDC输入/12VDC输出的隔离型DC/DC 变换器后级直流母线5是插件板7中输送12V电源能量的印制线末级电源6是非隔离型DC/DC变换器上述传统供电方式的主要缺点就在于供电效率比较低，从交流市电到末级电源6输入端的变换与传输效率发明内容本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、电源器件体积更小、成本更加低廉、能够大大提高供电效率、可靠性好的用于超级计算机的供电方法，即本发明旨在减少超级计算机电源变换过程中的电能损耗， 提高电源变换的效率为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种用于超级计算机的供电方法，首先将交流市电由前级电源变换成12V直流电，然后经机柜背板和后级直流母线送至末级电源，安装在数据处理芯片附近的末级电源将12V 电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压；后援蓄电池组由前级电源的直流输入接口接入。

作为本发明的进一步改进将前级电源的前级电源输出插座直接安装在机柜背板上所述前级电源通过多点连接机柜背板，并利用机柜背板中的电源层和地线层来实现多台前级电源的输出并联和N+X冗余所述前级电源输出插座机柜背板上的布局是遵循以下方法①负荷均衡原则；将插件板电源输入插座视为是前级电源的负荷，为各台前级电源分配功耗相同的负荷，即每台前级电源只为分配给它的插件板电源输入插座供电距离最近原则；在空间分配允许的前提下，将各前级电源输出插座安放在与其馈电对象距离最近的位置上；③距离相等原则；每个插件板电源输入插座到其供电对象的距离相等所述前级电源包括交流电输入接口、整流桥、直流电输入接口、输入源选择开关以及依次相连的升压与输入功率因数校正电路、降压型DC/DC变换电路，所述交流电输入接口与整流桥相连并形成交流电输入电路，所述交流电输入电路与直流电输入接口构成的直流电输入电路并联后经输入源选择开关选择切换后与升压与输入功率因数校正电路相连与现有技术相比，本发明的优点在于I、本发明用于超级计算机的供电方法，大大提高了超级计算机的供电效率，从交流市电到末级电源输入端的变换与传输效率约为91. 5%,而传统供电方式的相应效率具体实施例方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图8所示，本发明用于超级计算机的供电方法，首先将交流市电由前级电源I变换成12V直流电，然后经机柜背板3和后级直流母线5送至末级电源6，安装在数据处理芯片附近的末级电源6将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压；后援蓄电池组8 由前级电源I的直流输入接口接入如图11所示，采用本发明的供电方式后，从交流市电到末级电源6输入端的变换与传输效率约为91. 5%其中，后级直流母线5是插件板7中输送12V电源能量的印制线，末级电源6可以采用非隔离型DC/DC变换器前级电源I的输出电压为12VDC，即直接将交流电变换成末级电源6所需要的输入电压，省去了中间级电源和前级直流母线参见图10，前级电源I与机柜背板3之间不是通过电缆或汇流条连接，而是将前级电源输出插座302直接安装在机柜背板3上，从而最大限度地降低了前级电源I到机柜背板3之间的输电损耗多台前级电源I不是在电源柜或电源箱内进行输出端并联，而是利用机柜背板3中的铜层实现前级电源I的输出并联和N+X几余如图9所示，前级电源I采用交直流双输入(自动切换)电源，其包括交流电输入接口 111、整流桥112、升压与输入功率因数校正电路113、降压型DC/DC变换电路114、直流电输入接口 115以及输入源选择开关116。

本实施例中，输入源选择开关116采用一只继电器，当交流电输入存在并满足供电要求时，继电器通过交流电输入接口 111接通交流输入源；当交流电输入不存在或不能满足供电要求时，继电器通过直流电输入接口 115接通直流输入源在交、直流输入源切换过程中会有约10毫秒的电能供应中断时间，依靠内部电容器存储的电能可维持前级电源正常输出通过在前级电源I增加直流电输入接口 115，从而解决了一级直流母线供电架构无法接入后援蓄电池组8的问题，使得电源系统在具备不间断供电(UPS)功能的同时仍具有较高的变换效率参见图10所示的具体实施例，机柜背板3中每个插件板7的插件板电源输入插座 301为两个，型号规格也有所变化；这是因为输电电压从48V下降到12V，导致输电电流增加所采取的应对措施同时，前级电源I所提供的电能也不再是通过一点引入机柜背板3，而是通过合理分布的多个前级电源输出插座302引入机柜背板3S卩，前级电源I通过多点连接机柜背板3，并利用机柜背板3中的电源层和地线层来实现多台前级电源I的输出并联和N+X冗余前级电源输出插座302在机柜背板3上的布局是按以下原则设计的①负荷均衡原则；把插件板电源输入插座301看作是前级电源I的负荷，为各台前级电源I分配功耗相同或尽可能相同的负荷(假定每台前级电源I只为分配给它的插件板电源输入插座301供电)。

②距离最近原则；在空间分配允许的前提下，将各前级电源输出插座302安放在与其馈电对象(插件板电源输入插座301)距离最近的位置上③距离相等原则使每个插件板电源输入插座301到其供电对象(前级电源输出插座302)的距离相等或大致相等按以上三原则设计出的前级电源输出插座302布局如图10所示前级电源I通过合理布局的多点连接机柜背板3，分散了前级电源I经机柜背板3向插件板7供电的电流，从而解决了大电流通过机柜背板3的工艺难题，同时也解决了系统地线电位差问题(因各输电支路上的电压降几乎一样)例如，在一个具体的应用实例中(某超级计算机系统中)，每块机柜背板3连接18 块插件板7(总功耗约14KW)，采用12V—级直流母线的供电方式，前级电源I经机柜背板3 向插件板7提供的总电流约1167A使用8台最大输出功率为2500W的前级电源I进行6 + 2冗余供电，前级电源输出插座302 (AMP6450551-4)安装在机柜背板3上，并按照前述“负荷均衡”、“距离最近”、“距离相等”三原则布局，向36个插件板电源输入插座301 (Amphenol TCS1018)供电机柜背板3的外形尺寸为656mm (宽)X412mm (高)，是24层印刷电路板， 其中有9层是完整的地线层(铜层厚度0. 5oz),2层是完整的12V电源层(铜层厚度loz)，11 层是信号线层(铜层厚度0.5oz)，2层是表面元器件装焊层(铜层厚度1.5oz)。

信号线层中有部分敷铜用作12V电源电流传输；表面层中有部分敷铜用作地线电流传输插件板7采用双面对插的形式，即在机柜背板3的每一面有9块插件板7通过实测结果表明由前级电源I的输出端口到末级电源6输入端口的最大电压降(包含12V电源和地线在印制板铜层及插座上的电压降)为60mV，即12V直流母线上的输电损耗彡0. 5% ;各插件板7之间的地线电位差彡7mV，包括8台前级电源I中有任意I台失效的恶劣情况以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围权利要求1.一种用于超级计算机的供电方法，其特征在于首先将交流市电由前级电源(I)变换成12V直流电，然后经机柜背板(3)和后级直流母线(5)送至末级电源(6)，安装在数据处理芯片附近的末级电源(6)将12V电压变换成芯片供电所需的各种直流低电压；后援蓄电池组(8)由前级电源(I)的直流输入接口接入2.根据权利要求I所述的用于超级计算机的供电方法，其特征在于将前级电源(I)的前级电源输出插座(302 )直接安装在机柜背板(3 )上。

3.根据权利要求2所述的用于超级计算机的供电方法，其特征在于所述前级电源(I) 通过多点连接机柜背板(3)，并利用机柜背板(3)中的电源层和地线层来实现多台前级电源(I)的输出并联和N+X冗余4.根据权利要求3所述的用于超级计算机的供电方法，其特征在于，所述前级电源输出插座(302)在机柜背板(3)上的布局是遵循以下方法①负荷均衡原则；将插件板电源输入插座(301)视为是前级电源(I)的负荷，为各台前级电源(I)分配功耗相同的负荷，即每台前级电源(I)只为分配给它的插件板电源输入插座(301)供电距离最近原则；在空间分配允许的前提下，将各前级电源输出插座(302)安放在与其馈电对象距离最近的位置上； ③距离相等原则；每个插件板电源输入插座(301)到其供电对象的距离相等5.根据权利要求I 4中任意一项所述的用于。