CN110896223A - 用于三相电源的电流平衡的方法与*** - Google Patents

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Abstract

公开用于三相交流电源的电流平衡的方法与***。***包括供电单元，各供电单元拥有输入耦接三相交流电源的其中一个输出以及中性导体。多负载的各个负载，耦接多个供电单元其中之一的一个直流输出。各负载包括可调整功率消耗的组件。控制器耦接各供电单元。控制器可用于对各负载的功率消耗与平均值进行比较。控制器调整至少一个负载的功率消耗，以平衡负载之间的功率消耗。

Description

用于三相电源的电流平衡的方法与***
技术领域
本公开涉及一种关于多负载的电力***。本公开特别是关于负载平衡这方面，以防止来自于电力***耦接相位电流源的功率不平衡。
背景技术
云端运算应用的出现，已经使得外地安装的需求增加，为人所知的有数据中心，数据中心由远程联机计算机装置的用户存取，储存数据及运行应用程序。典型上，此类的数据中心拥有大数量的服务器、交换器、以及储存装置以储存和管理数据。典型的数据中心拥有物理式机柜架构，附有电源与通信连接。现代的数据中心，有找到许多此类网络设备堆栈在此类机柜架构。举例来说，一些数据中心拥有数万台服务器、附加的储存装置、以及网络交换器。因此，典型的数据中心，可能包括数以万计，或甚至是数以十万计的设备，在几百台或几千台各自独立的机柜中。
此类设备需要大量的电源。电力设备一般使用三相电力***提供交流电源。三相供电***中，交流电源由三条导线提供。每条导线提供相对于共同参考点具有相同频率的交流电压信号，且彼此之间的相位差互为三分之一周期。因此我们说：每条导线提供了不同相位。共同参考点通常会接地，以及连接一条中性载流导线。由于相位的不同，任一条导线相对于第二条导线，提早三分之一周期达到电压的最高峰值；相对于第三条导线，推迟三分之一周期达到电压的最高峰值。连接各相位的输入端与共同中性导线，可用来为各自的负载发电。
图1描述现有技术其一范例的***10框图，***10通过三相电源发电。***10包括三个交流相位输入源20a、20b、20c。交流相位输入源20a、20b、20c的相位各自不相同，并且联同共同中性输入22，提供各供电单元30、32、34各自对应的交流输入24a、24b、24c。各供电单元30、32、34将交流电转换成直流电。在本例中，各供电单元30、32、34提供直流电给各自对应的负载40、42、44。举例来说，各个负载可以是服务器机壳(机箱)。
为了在三相电力***中达到良好供电质量，我们希望平衡输出负载。负载平衡使输入相位电流自动平衡，且电流将不会进入中性导线。这防止了输入电力***中不必要的功率消耗，并可避免相电压(火线对中性线，line-to-neural)到一个或多个负载之间电压降的损失。因此，各个相位的负载应越相似越好。举例来说，在图1中，为了提供良好供电质量，我们希望负载40、42、44达到平衡。
然而，就一个近似于图1***10的***来看，供电单元分离供电给不同的负载，例如服务器和储存装置，负载平衡成了一个问题。举例来说，若供电单元各自分离，以供电给安装在不同电源架上的数据中心设备，则难以通过供电单元本身控制负载平衡。因此，经常发生当不同的负载位于三个不同的供电单元，三个不同的供电单元各自连接到不同的相位交流输入端时，各相位的输入相电流将发生不平衡。
现有的技术中，输出(端)分流可用来提供负载平衡。输出端分流很容易通过点滴法(drop method)或主动分流法来实现。图2为现有技术的***50，***50允许分流以自动平衡输入相电流。***50包括交流相位输入源60a、60b、60c。交流相位输入源60a、60b、60c的相位各自不相同，并且联同共同中性输入62，提供交流输入64a、64b、64c。各交流输入64a、64b、64c提供交流电信号给供电单元70、72、74。各供电单元70、72、74被安装在电源架76。电源架76输出分流信号78。在本例中，各供电单元70、72、74提供直流电给各自对应的负载80、82、84。举例来说，各个负载80、82、84可以是服务器机壳(机箱)86上的服务器。
若供电单元70、72、74被安装在相同的电源架76，则此安排允许分流信号(例如通过共享总线)被连接在一起。此配置允许输入相电流自动平衡。在多数的应用中，负载共享控制通过每个电源上的分流控制器，采用自动主从式分流控制。因此，提供最高电流的电源(由内电阻感测)如同主动装置运作，将共同参考点(例如共享总线)驱动到与它的输出电流成比例的电压。接着，通过「调整」网络调整其他并联电源(随从装置)的反馈电压，使得其他并联电源可以支撑它们的负载电流量。随从供电单元的运作如同电流控制电流源。虽然增加分流电路提供负载平衡在实务上可行，但这让供电***更加复杂，导致成本增加。
因此，需要一种简化的***提供平衡分流，而不需要分流电路。而且更需要一种***能允许供电单元提供分流，而不需要让供电单元被安装在共同的电源架上。
发明内容
所公开的一个范例为一种***，用于三相交流电源的电流平衡。***包括供电单元，各供电单元拥有输入端，输入端耦接三相交流电源的其中一输出端，以及中性导线。各负载耦接供电单元的其中一直流输出端。各负载包括可调整功率消耗的组件。控制器耦接各供电单元以及各负载。控制器可用于对各负载的功率消耗与平均值进行比较。控制器调整至少一个负载的功率消耗，以平衡负载之间的功率消耗。
另一个范例为一种方法，用于确保三相交流电源的电流平衡。供电单元的其中一输入端，耦接至三相交流电源的其中一输出端，以及中性导线。供电单元的其中一直流输出端耦接至负载。各负载的功率消耗被测定。各负载包括可调整功率消耗的组件。通过控制器对各负载的功率消耗与前测值进行比较，控制器耦接各供电单元以及各负载。至少一个负载上的组件的功率消耗可调整，以平衡负载之间的功率消耗。
上述发明内容并非用于代表本公开的任何一个实施例或是任何一个观点。相反地，上述发明内容仅提供本文一些新颖观点与特征的范例。以下对于代表实施例与用于实现本发明的模式的详细描述，结合附图与所附权利要求时，本公开的上述特征与优点，以及其他特征与优点将浅显明确。
附图说明
下列例示实施例的说明，搭配附图，本公开将能更加明显易懂。
图1为现有技术的***，其拥有的分离式电源有潜在导致负载不平衡的可能。
图2为现有技术的***的方块图，其拥有共同电源架上的电源包括平衡负载的电路。
图3A为范例***的方块图，其允许电流平衡而没有特殊电路。
图3B为图3A的***其中一个负载的方块图。
图4为确保负载之间适当电流平衡的程序的流程图。
本公开容易有多种修改与替换形式。一些具有代表性的实施例已见于附图的范例，并且将在本文中进行详细说明。然而，应该理解的是，本发明不应受限于所公开的特定形式。相反地，本公开是由所附的权利要求所定义，以涵盖落入本发明精神以及范畴中所有修改、同等对象、以及置换项。
具体实施方式
本发明可用各种不同的形式据以实施。见于附图的代表性实施例将于此详细说明。本公开的范例或解说公开于此，不应将本公开广泛的方向限缩到解说的实施例。至于，若于本案发明摘要、发明内容、以及实施方式等当中所公开的组件与限制，而不在权利要求所阐明者，不应用隐含、推论或其它方式将其单独或统合纳入权利要求之中。本案的实施方式，除非特别声明，否则凡是涉及到单数名词，则应包括复数名词，且反之亦然；文中「包括」一词指「不排除未记载的项目」。另外，「大约」、「几乎」、「大致上」、「近似于」等表示近似的词汇，在此可解释为「于」、「接近」、「差不多」、「在3％-5％的范围内」、「在可接受的制造公差内」或是任何逻辑上的组合。
下面描述的方法与***，感测来自于三相交流电源到不同负载的电流。若感测到电流不平衡，像机柜管理控制器(RMC)之类的控制器调整一个或多个负载的功率消耗，以调整电流到前测的水平，如三相交流电流源所期望的平均电流。
图3A为范例的***100，***100允许负载平衡而没有电流平衡电路。***100包括交流相位输入源102a、102b、102c。交流相位输入源102a、102b、102c的相位各自不相同，并且联同共同中性输入104，提供各供电单元112、114、116各自对应的交流输入106a、106b、106c。各供电单元112、114、116将来自交流相位输入源102a、102b、102c的交流电转换成直流电。各供电单元112、114、116各自拥有相对应的功率计120、122、124。功率计120、122、124的输出耦接到控制器，在本例中，控制器为机柜管理控制器(RMC)126。
在本例中，各供电单元112、114、116提供直流电给相对应的功率消耗负载，例如服务器负载130、132、134。所有服务器负载130、132、134均拥有相对应的冷却机构，例如扇壁、或是相对应的风扇140、142、144，用以冷却在各服务器上的电力组件。机柜管理控制器126可控制风扇140、142、144的转速。通信总线146允许服务器负载130、132、134上的内部控制器，将服务器的操作数据传输给机柜管理控制器126。在本例中，通信总线146为智能型平台管理接口(IPMI)通信总线。机柜管理控制器126可连接到电源管理总线(PMBus)148以接收来自于功率计120、122、124的数据。
取决于服务器负载130、132、134中的组件以及***100的操作，服务器负载130、132、134可消耗不同功率等级。因此，负载之间可能会负载不平衡。举例来说，若服务器负载130、132、134拥有需要不同功率等级的组件，则可能会负载不平衡。更进一步地，若其中一个服务器负载运作在较高的等级，则它可能需要更多功率。相对应的风扇也可能消耗更多功率以冷却运作中的服务器负载。
图3B为图3A所示的***100内某些负载组件130的框图。***100(图3A)可以是机柜，机柜拥有不同的服务器，例如图3B所示的服务器160，服务器160包括供电单元112、风扇140、以及服务器负载130。供电单元112接收相位交流电流输入106a，相位交流电流输入106a耦接图3A中一相位以及中性导线104的电流。供电单元112将接收到的交流电转换到直流输出电极(轨)162，直流输出电极162供电给服务器负载130的组件。在本例中，服务器负载130包括中央处理器170、储存装置172，像是硬盘(HDD)或固态硬盘(SSD)、以及插卡装置174。服务器160包括基板管理控制器(BMC)180以监控来自服务器160的操作数据，操作数据包括来自感测直流输出电极162电压等级的功率消耗。为了简单描述，仅列出一个中央处理器、一个储存装置、以及一个插卡装置。服务器可包括多种不同类型的装置，或者多个装置，例如2或4个CPU，多个储存装置，以及多个插卡装置，依服务器的类型而定。图3A中所代表的服务器负载130、132、134，每个服务器彼此之间也可以各自拥有不同数量的装置。
在本例中，基板管理控制器180通过通信总线146(图3A)连接至机柜管理控制器126。因此，机柜管理控制器126可通过总线146从基板管理控制器180接收服务器160的操作数据，以及通过电源管理总线148从供电单元112接收操作数据。如下列所述，机柜管理控制器之后可以通过总线146向基板管理控制器180发送命令，以调节服务器负载130的功率消耗。
为了降低不平衡负载的影响，***100可采取数个动作。首先以及最基本的解决方法，是重新安排或分配负载，使得***100变得更加平衡。
在图3A-3B中所示的***100组件中，分流的控制方法涉及到使用机柜管理控制器126，通过读取各供电单元112、114、116上的内部功率计120、122、124的输出值，以监控供应电流。机柜管理控制器126将功率计120、122、124的输出值，与各电源所需要的平均电流实时地进行比较。
在此例中，机柜管理控制器126可通过提高或降低一个或多个各风扇140、142、144的转速，调整各供电单元112、114、116的负载量，直到各供电单元112、114、116的供应电流符合所需要的数值。风扇140、142、144的转速，与各服务器负载130、132、134所需的电流成比例。用这种方式，当服务器负载130、132、134之间的负载量平衡时，三相***100中的输入电流将会平衡。
图3B所示的供电单元112可通过电源管理通信总线148与机柜管理控制器126进行通信。电源管理通信总线148可以是电源管理总线(PMBus)、串行***接口(SPI)总线、集成电路(I2C)总线、或是支持电子工业协会(EIA)、RS-232、RS-422、或RS-485标准的总线。在此例中，图3A的各供电单元112、114、116的功率计120、122、124更新它们的状态，状态包括通过电源管理通信总线148传送到机柜管理控制器126的输入电压、输入电流、以及输入功率。各供电单元，例如供电单元112，也可以通过电源管理通信总线148更新状态至各个基板管理控制器，例如图3B的基板管理控制器180。用这种方式，机柜管理控制器126可以通过智能平台管理接口总线，通过传送命令给适当的基板管理控制器，来调整各个独立的服务器负载的功率消耗。举例来说，机柜管理控制器可通过发送命令给基板管理控制器180，降低风扇140的转速，以降低服务器负载130的负载量。
在本例中，机柜管理控制器126通过调整风扇的转速以调整电流的需求量，使得三个供电单元112、114、116分摊负载量，如此一来各负载之间的输入分流将符合需求量的正负10％的合理容许范围。当增加新的负载，***可能会暂时不平衡，但这情况并非严重的***操作。三相电源***的输入电流会达成平衡。通过基板管理控制器或是机柜管理控制器的指令，可增加或减少各服务器风扇的转速以及各服务器的切换频率，以达到***输出负载的电流平衡。中央处理器的控制方法类似于风扇转速的控制方法。当***负载不平衡发生时，中央处理器在节流模式下运行，该节流模式使中央处理器以低速运转，使它保持冷却，并使用较低功率。这是因为中央处理器的使用功率与频率为线性关系。
举例来说，如果感测到服务器负载130的功率消耗为65W，以及感测到服务器负载132与134的功率消耗为50W，机柜管理控制器126将测定不平衡状态。在本例中，机柜管理控制器126可降低风扇140的风扇转速，使得服务器负载的功率消耗降低至55W，在期望平均功率消耗等级为50W的10％之内。在另一例中，如果感测到服务器负载130与132的功率消耗为60W，以及感测到服务器负载134的功率消耗为50W，机柜管理控制器126将测定不平衡状态。在本例中，机柜管理控制器126可降低风扇140与142的风扇转速，使得服务器负载130与132的功率消耗降低至55W，在期望平均功率消耗等级为50W的10％之内。
图4的流程图，为机器可读指令的代表范例，用于图3A-3B中***100的电流负载平衡。在本例中，机器可读指令包含可被(a)处理器、(b)控制器、与/或(c)一个或多个合适的处理装置所执行的算法。算法可以由储存在有形介质的软件据以实施，有形介质例如闪存、CD-ROM、磁盘片、硬盘、DVD、或是其他存储装置。然而，本领域具公知常识者将容易理解到，整个算法与/或其一部分可由处理器以外的装置替代实行，与/或以众所皆知的方式于固件或专用硬件来实施(例如：可施行在应用特定集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编程逻辑装置(FPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、离散逻辑(discrete logic)…等)。举例来说，接口的任意/所有组件可由软件、硬件、与/或固件施行。而且，流程图表示的部分或所有机器可读指令可由手动施行。此外，尽管范例的算法如图4的流程图所示，然而本领域具公知常识者将容易理解到，许多其他方法都可以选择性用来施行范例的机器可读指令。举例来说，执行方块的顺序可以变更，且/或一些列出的方块可以变更、删去、或结合。
如图4所示，机柜管理控制器126通过电源管理总线148与供电单元通信(步骤400)。各供电单元将电流功率输出更新到机柜管理控制器126(步骤402)。之后，机柜管理控制器126基于相位输入的电流彼此之间是否在可接受的差值内，而去检查分流的精度(步骤404)。在本例中，若在平均电流的10％以内，各相位输入的电流即在可接受的差值之内。若输入电流已经平衡，则流程将回到与基板管理控制器通信(步骤400)。若输入电流未平衡，则机柜管理控制器126控制风扇以提高或降低功率消耗到一个等级，使得电源的电流在可接受的差值之内平衡(步骤408)。之后，流程将回到与基板管理控制器通信(步骤400)。
在本申请所使用的术语「组件」、「模块」、「***」…等等，一般是指与计算机有关的实体，即硬件(例如电路)、硬件和软件的组合、软件、或是关于可操作机械的实体，且该实体具有一个或多个特定机能。举例来说，组件可为运行在处理器的流程(例如数字信号处理器)、处理器、对象、可执行的、线程、程序、与/或计算机，但不为上述所限。作为说明，在控制器上运行的应用程序，以及控制器本身，均可以为组件。一个或多个组件可以驻在流程与/或线程中，且组件可位于一台计算机上，与/或分布在两台或多台计算机间。此外，「装置」可采用特定设计的硬件形式；或采用常见硬件所制造的特定形式，通过其上软件的执行而让硬盘能够执行特定功能；或采用储存于计算机可读取媒体的软件形式；或者上述的组合。
此处所使用的术语，目的仅在于描述特定实施例，而非作为发明的限制。除非前后文特别明确说明，否则单数名词「一」、「该」亦包括复数名词。除此之外，在详细说明与/或权利要求中使用的语汇「包括了」、「包括」、「拥有」、「具有」、「附有」或其语汇变化，均用来概括与「包含」一词近似的意义。
除非另外定义，否则此处使用的所有术语(包括技术和科学术语)皆具有与本领域具公知常识者所能理解的相同的含义。除此之外，诸如在常用辞典中定义的那些术语，应被理解为具有与其在相关领域的文章中一致的含义，而且除非在本文中有明确如此定义，否则不应理解为理想化或过于正式的含义。
虽然本发明的各种实施例已如上所述，但应该理解的是，它们仅以例示的方式呈现，而非加以限制。尽管本发明系针对一个或多个实施方式说明及描述，但本领域技术人员在阅读和理解本说明书及附图后，将想到同等的变更和修改。除此之外，尽管可能仅针对若干个实施方式的其中之一公开本发明的特定特征，但若对于任何给定或特定的应用上有所期望或具有优点时，则该特定特征可与其他实施方式的一个或多个其他特征加以组合。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述实施例的限制。相反地，本发明的范围应根据以下权利要求及其同等对象来定义。
10～***；
20a、20b、20c～交流相位输入源；
22～共同中性输入；
24a、24b、24c～交流输入；
30、32、34～供电单元；
40、42、44～负载；
50～***；
60a、60b、60c～交流相位输入源；
62～共同中性输入；
64a、64b、64c～交流输入；
70、72、74～供电单元；
76～电源架；
78～分流信号；
80、82、84～负载；
86～服务器机壳(机箱)；
100～***；
102a、102b、102c～交流相位输入源；
104～共同中性输入；
106a、106b、106c～交流输入；
112、114、116～供电单元；
120、122、124～功率计；
126～机柜管理控制器(RMC)；
130、132、134～服务器负载；
140、142、144～风扇；
146～通信总线；
148～电源管理总线(PMBus)；
160～服务器；
162～直流输出电极；
170～中央处理器；
172～储存装置；
174～插卡装置；
180～基板管理控制器(BMC)；
400、402、404、406、408～步骤。

Claims (10)

1.一种用于三相交流电源的电流平衡***，包括：
多个供电单元，每一该供电单元具有多个输入，该输入耦接该三相交流电源的一输出以及一中性导体；
多个负载，每一该负载耦接该供电单元其中之一的一直流输出，该负载包括可调整功率消耗的一组件；以及
一控制器，耦接每一该供电单元以及每一该负载，该控制器将每一该负载的功率消耗与一预定值进行比较，并且调整至少一该负载的功率消耗，以平衡该负载之间的功率消耗。
2.如权利要求1所述的***，其中，该控制器为一机柜管理控制器，而且每一该供电单元以及每一该负载被安装在一相对应的服务器。
3.如权利要求2所述的***，其中，该相对应的服务器包括一基板管理控制器，该基板管理控制器监控该服务器的功率消耗。
4.如权利要求3所述的***，还包括一电源管理总线，耦接该基板管理控制器以及该机柜管理控制器。
5.如权利要求1所述的***，其中，该预定值为该三相交流电源的平均电流。
6.一种用于三相交流电源的电流平衡方法，包括：
耦接多个供电单元的其中之一的一输入，至该三相交流电源的其中一输出以及一中性导体；
耦接该供电单元的其中之一的一直流输出，至多个负载；
测定每一该负载的功率消耗，该负载包括可调整功率消耗的一组件；
通过耦接每一该供电单元，以及每一该负载的一控制器，将每一该负载的功率消耗与一预定值进行比较；以及
调整至少一该负载的功率消耗，以平衡该负载之间的功率消耗。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该控制器为一机柜管理控制器，而且每一该供电单元以及每一该负载被安装在一相对应的服务器。
8.如权利要求所述的方法，其中，该相对应的服务器包括一基板管理控制器，该基板管理控制器监控该服务器的功率消耗。
9.如权利要求8所述的方法，其中，调整功率消耗包括该控制器通过一电源管理总线传送一信号给该基板管理控制器。
10.如权利要求6所述的方法，其中，该预定值为该三相交流电源的平均电流。
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