中国移动通信集团 高健 周平 颜士军
摘要：随着信息技术的发展和数据业务的迅速扩大，电信网络正处于变革之中，电信网络的变革必然 影响到电源系统。数据通信设备要求交流电源与电信设备传统的-48V 直流电源不兼容，因而对电源设备提催眠器 出了新的要求——应达到高可靠性、高可用度和高效率的要求。如何构成这种新的电源系统？这是通信电 源系统设计有待解决的新问题。上个世纪 90 年代末以来，国内外已开始注意和研究适应数据通信设备融合 的电源系统结构，提出了一些新型实施方案。我们也在探索合理的数据机房供电系统，下文将简要分析与 探讨。 关键词：数据机房 高压直流 270V
一、 前言
今天，数据设备中使用交流电源的信息通信设备种类越来越多，而且容量越 来越大，UPS 供电系统已经广泛地应用于各通信运营商的通信局站中。
随着我国通信行业的高速发展，数据业务的快速增加，通信局站的 UPS 供电系统已经成为网络安全的重要一环，UPS 供电系统的大量应用，加剧了通信局 站的供电压力，增大了安全隐患，也加大了设备维护工作量。尽管出现了双总线 UPS 供电系统，增加了 UPS 供电的可靠性，但随之又加大了机房使用面积及增 加了设备投资，UPS 供电系统的安全运行已经越来越受业内人士的高度重视，同 时也是维护人员最为担心的重要一环。众所周知，直流供电系统的可靠性要高于 UPS 生产三水醋酸钠供电系统，那么我们能不能到一种新的供电系统来取代 UPS 供电系统， 消除人们的顾虑呢。本文将对一种新型的高压直流供电系统做一些应用探讨。 自上世纪 80 年代以后，很多国家都在研究和实施 300~400V 高压直流(HV DC)供电系统。国际电信能源会议的组织者很关心这项工作，经常发布各国的论 文，如 1999 年日本代表提出《290V 直流供电系统是电信和数据高效和可靠的供 电系统》；法国电信和阿尔卡持公司相继于 1999 年提出《供电给新的电信网络 和服务用的新的供电系统》，隔热断桥铝型材2000 年又发表了《用于电信和数据融合的整流型 AC 供电的新方法》；2007 年发表了美国《在电信和数据中心改进能源效率的 400V 直流供电系统的评估》和瑞典《在 Gnesta 市数据中心运行一年的 9kW HV DC UPS 供电系统》等论文。
二、高压直流供电解决方案
与传统 48V 供电系统类似，高压直流供电系统是由多个并联冗余整流器和 蓄电池组成的。在正常情况下，整流器将市电交流电源变换为 270V、350V 或
420V 等直流电源，供给电信设备，同时给蓄电池充电。电信设备需要的其它电 压等级的直流电源，采用 DC/DC 变换器变换得到。市电停电时，由蓄电池放电 为电信设备供电；长时间市电停电时，由备用发电机组替代市电，提供交流输入 电源。与传统的-48V 直流电源系统的一样，蓄电池备用时间为 1～24h，典型的 蓄电池备用时间为 1～3h。
图 1 供电示意图
目前在国内通信中主要试用了 270V 电压级别的高压直流电源系统，在试用 中优点得到了较充分的体现。
1 服务器电源直流供电的可行性
1.1 ATX标准（功因低、谐波大、效率低）
ATX标准是Intel在1997年推出的一个规范，输出功率一般在125瓦～350瓦之 间。ATX电源通常采用20Pin(20针)的双排长方形插座给主板供电。随着Intel推出 Pentium4处理器，电源规范也由ATX修改为ATX12V，和ATX电源相比，ATX12V 电源主要增加了一个4Pin的12V电源输出端，以便更好地满足Pentium4的供电要 求（2GHz主频的P4功耗达到52.4瓦）。鉴于ATX的普遍使用和高压直流供电的优 势，因此希望探讨采用直流高压供电和ATX电源结合的供电的方式，即对ATX电 源采用直流供电，然后由ATX电源输出所需电压的可行性。
分析过程：
图 2 典型 ATX 电源的整流逆变部分电路
图 2 的 ATX 电源典型电路（来源于华硕的 DTK PTP-2038）中的整流及逆变
部分，由于电源中存在开关变压器的隔离作用，因此，只要开关变压器前端的电 源波形合适，后端的输出也将一致，所以本文只分析在供电电源由交流变为直流 的情况下，开关变压器前端的电压波形变化情况。
根据对图 2 的电路分析，在电路上端的开关接 230V 时，等效简化电路与交 流电源时一致，其采用直流与交流供电时结果 A、B 两点的电压波形几乎完全一 致，采用直流供电时将没有交流供电经过整流滤波仍存在的少量的电压波动（如
图 3 所示），效果将更好。
图 3. 直流供电后 A、B 两点电压将与交流供电电压波形一致
然而当电路上端的开关接 115V 接口时，前端电路所受主要影响的通路如图
4 所示，其采用直流供电时将产生严重的后果。
图 4 开关接 115V 接口时，前端电路所受主要影响的通路
当采用交流供电转为直流供电以后，C 点电压将由交流（具体电压幅值视具 体电路而定）转为恒定直流 275V，这样，D 点的电压也将由交流正弦波形转化 为由三极管 Q1、Q2 控制的方波波形，由于其余电路部分过于复杂，在此先不作 分析，但是，由于三极管 Q1、
Q2 的导通与关断取决于 D 点的电压振荡，而采 用直流供电后该点电压的振荡过程发生了明显的变化，这会导致开关变压器波形 的明显变化，影响电源的正常输出。再加上其他未分析的影响，若供电电源由交 流改为直流将对后面的电路产生严重的影响。
结论：
由上面分析可得，将 ATX 电源的供电改为直流供电将产生严重的后果，因 此 ATX 电源不可以采用直流供电。
1.2 SSI标准
SSI（Server System Infrastructure）规范是3837CcIntel联合一些主要的IA架构服务衣帽 器生产商推出的新型服务器电源规范，SSI规范的推出是为了规范服务器电源技术，降低开发成本，延长服务器的使用寿命而制定的，主要包括服务器电源规格、背板系统规格、服务器机箱系统规格和散热系统规格。
现在IDC 机房的服务器内部一般使用SSI高频开关电源，把外部输入的交流 电转化为内部电子电路所用的直流电。计算机设备的高频开关电源的基本工作原理如图输出滤波器5。
图5
将图5简化，如图6、图7，实际上在交流输入的时候，在正半周，电流的走 向是从A—>2—>C—>D—>4—>B，在负半周的时候，电流的走向是从B—>3—>C，
—>D—>1—>A，整流管1、3和2、4轮流导通。理论计算因此， 标称是220V交流输入（即Ui＝220）的设备，在CD输出的直流电压Uo≈280V。 一般服务器的电源输入电压要求是220V±10％，即198V～242V，因此，Uo值的 范围是252V～308V。这个值是电源的标称电压，实际上，CD后端的DC/DC变换 器是通过调节开关脉冲的占空比即开关管的导通时间来控制输出直流电的电压的，因此，电压范围可以高于308V。当采用直流电压直接输入AB时，由于电压 不变相，整流管2、4长期导通。如图5，这样，电压从AB端直接传到CD端。若 不考虑整流管的自身损耗，则Ui≈Uo 图 6 交流输入
图 7 直流输入
三、高压直流供电方案特点
1．直流供电替换交流供电的优点
可靠性
直流电源模块化输出和电池直接并联给负载供电,后备电池与电源后段并联给服务器构成2
路冗余供电，可靠性高，真正不间断；如果 UPS 后备电池只是与电源前段并联给 DC/DC 供电，整个系统供电对数据设备不是冗余供电模式。在某种原因下 UPS 系统崩溃,电池不能直接应用,导致后端设备断电。而采用直流供电,可杜绝系统崩溃带来的断电风险。
可操作、维护性
并机容易，并且可以做成系统解决方案，做到安全不间断割接，功率部分采用模块化,支持 带电热插拔,可快速更换，功率部分和监控功能模块 CSU 之间正常工作是监控单元 CSU 控制,故障时各自独立控制,避免故障扩散。更换模块和监控单元 CSU 是互不影响的，便于维护；UPS 一般是一体化，并机相对难度大，并机数量有限，不间断割接困难，维护也相对困难。
提高负载的可靠性
计算机等开关电源内部的桥式整流变为直流电正负极防接反电路,(原理如图 3)即使计算机输 入电源的正负极接反,不影响计算机的正常工作，电容元件的失效问题是影响设备寿命和故 障的一个重要因素。交流电经过整流桥之后是脉动直流电，使后面的电容元件不停的充
放电， 寿命缩短。采用直流供电,元器件的寿命可延长.同时也延长了负载设备的寿命，提高了其可 靠性。
智能化管理
直流高压开关电源系统与传统 48V 直流电源系统一样，可以很方便的对电池进行全面的智 能化管理，具有完备的电池管理系统，能有效延长电池的使用寿命，降低运营成本，提高供电的可靠性；UPS 电池管理简单、不全面，同时电池容量损失速度也很快。
降低谐波干扰
对于计算机和服务器来说，采用直流输入，不再存在相位和频率的问题，多机并联变得简单 易行，无谐波干扰，UPS 存在输出功率因数，一般在 0.6～0.8。
安全性
直流高压电源系统，是标准电气柜，安全性高，并且对分路输出和母线的绝缘状况实时监控,对人身伤害预警大大提高；UPS 非标一体柜，安全性低性价比
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