實現不斷電智慧備用電池(第五部分)：輔助電源系統

作者：ADI應用開發工程師Christian Cruz 及助理工程師 Ralph Clarenz Matociños

摘要

本系列文章的第五部分闡述ADI備用電池單元(BBU)參考設計中輔助電源的重要性。輔助電源包括與主電源輸出一起提供的補充電壓軌，用於支援眾多元件和功能，其對於確保BBU參考設計模組中整合的電源元件的可靠和高效運行十分重要。

引言

對於採用開放運算計畫(OCP)開放機架第3版(ORV3)架構的資料中心、網路、伺服器和存放裝置而言，電源單元(PSU)和BBU是支援其正常運行的命脈。中央電源轉換器負責輸送所需的大部分電能。輔助電源元件則扮演著幕後的無名英雄，為了維護包括PSU和BBU在內的整個電源供應生態系統的整體穩健性、可靠性和安全性，其發揮了不可或缺的作用。

在接下來的詳細討論中，我們將研究輔助電源在BBU模組參考設計中發揮的作用，探索其功能和內部機制。透過深入探究輔助電源的複雜性，我們的目的是突顯其為了確保不斷電供應和保護重要技術資源免受損害而作出的重大貢獻。

備用電源

輔助電源用於提供BBU內的副電源。即使背板電源中斷或不可用，補充電源也會繼續為模組內的元件供電，確保BBU內儲存的關鍵操作能夠順利執行。此種備用電源使得該單元能夠保留和維持重要操作，例如安全轉換過程、周密監控、複雜控制電路管理以及為低功耗元件持續供電。輔助電源透過在停電期間提供持續不斷電的電源，確保模組在需要時能夠分配電力。這反過來可以產生緩衝器的作用，抵禦潛在干擾，並防止發生資料遺失

電壓調節

為使BBU內部的元件達到理想性能，確保其處於恆定平衡和恆定電壓輸出狀態十分重要。在如此情況下，輔助電源的重要性不言而喻，因為其作為關鍵的保護措施，可以監督BBU模組複雜架構內電壓控制的敏感區域。輔助電源將持續監測輸出電壓，並在嚴格定義的容差範圍內對電壓進行精細調整，使其保持穩定。

此種調節猶如一道堅實的屏障，有效地保障了BBU與其關聯元件之間的互動。輔助電源確保能源供應穩定可靠，防止電壓波動，避免引發故障、資料損壞或物理損害。

輔助電源透過精密校準發揮關鍵作用。其不僅使模組保持高效運行，並能保護所連接的元件。憑藉卓越的精密度和可靠性，資料中心的PSU、BBU和一系列相關元件能夠獲得更長的使用壽命、更高的效率和持久的運行活力。

散熱和風扇控制

有效的散熱管理對於防止電氣設備過熱非常重要。BBU內部的風扇由輔助電源供電並進行協調。此散熱過程有助於保護BBU和受支援元件。這種組合利用輔助電源來管理風扇轉速，創造平穩高效的散熱環境。如此一來，系統將能夠實現良好平衡，進而保持理想工作溫度，防止過熱造成破壞性影響。

熱量的耗散涉及熱動力學中複雜的相互作用。該系統可透過管理熱量防止因過熱而導致故障，精密的溫度調節和輔助電源可提高性能和可靠性。

保護和安全特性

BBU具有一系列重要的安全和防護特性，可保護所連接的元件和電源轉換器。為了實現這些功能的部署和監督，輔助電源的整合相當重要。輔助電源支援一系列主動保護措施，包括過壓、過電流和短路保護，以及溫度監控等。輔助電源透過連續即時檢查各種參數，確保對異常或問題做出快速反應。如此快速啟動的保護機制有效地避免了對PSU及其連接元件的損害，減輕電氣危險，並明顯提高系統的整體安全性。

診斷評估

BBU在向連接的元件供電之前，會定期進行自診斷測試以驗證其功能。在此過程中，輔助電源會提供啟動和結束診斷程式所需的電壓和控制訊號。此種自我評估有助於及時檢測BBU內的潛在故障，包括元件問題或電壓異常。輔助電源的參與有助於透過及早識別和查明故障來增強PSU的性能，並延長其使用壽命。此種主動方法讓PSU工作更可靠，準備更充分，確保不斷電，並大幅降低系統發生故障的風險。

ADI的電源設計工具 LTpowerCAD® 提供專為BBU輔助電源設計的客製化工程見解和元件性能資料。如此強大的組合成功地加快複雜的電氣評估過程，縮短原型設計階段，並大幅加速了輔助電源電路的整體開發進程，如此將可顯著減少審查所花費的時間，大幅降低電路設計的複雜性。

圖1展示了為優化充電模式或放電模式下BBU運行期間的能量流而設計的輔助電路，其中體現了龐大的工程工作量。圖2則顯示了BBU休眠模式下的低功耗輔助電路，其採用低壓差(LDO)穩壓器和單通道降壓轉換器。

為了針對此類電源轉換器、微控制器和其他周邊設備供電，BBU模組輔助電路包含表1所列的六個電壓軌。

BBU充電或放電工作模式下的輔助電源

12 V偏置軌

LT8645S為一款高壓同步降壓控制器，具有高達8 A的驚人負載能力。其主要功能是以非常高的精度將48 V背板電壓電源高效轉換為12 V輔助電壓電源。該元件整合了旁路電容，這使其有別於其他高壓降壓控制器。此一策略性選擇不僅可以減小PCB尺寸，而且巧妙地解決了快速電流迴路和電磁干擾(EMI)發射等難題。這種組合可顯著提升整體效率，增強控制器優化能耗的能力。

12 V偏置軌為電源轉換器、風扇電源和電流共用匯流排電路等基本元件提供支援。12 V偏置軌充當這些關鍵元件的主要能源通道，促進系統實現無縫運行和高性能。這些元件在電源下有機結合在一起，其中LT8645在增強效率和功能方面發揮著關鍵作用。

5 V、3.3 V、1.8 V和1.2 V偏置軌

採用四通道同步降壓控制器 LT8692S是一個經過深思熟慮的選擇，目的在於提供多種輸出，包括：5 V、3.3 V、1.8 V和1.2 V。此種調整對於適應降低的輔助電壓以與較低的匯流排電壓保持一致尤為重要。 該控制器在一個以2 MHz頻率運行的單一振盪器的引導下，可確保其輸出的精密度和同步性。

該元件真正的獨特之處在於整合了電容，此一特性有效降低了佈局對EMI的敏感性，有助於滿足嚴格的EMI性能要求。因此，其與雜訊敏感的設定和應用的相容性明顯增強。四通道架構具有高整合度特點，不僅節省空間，而且設計方法更加簡潔高效。

為了解釋其使用方式，選擇5 V偏置軌為放大器電源軌、Modbus UART驅動器、數位溫度感測器和電源管理元件供電。3.3 V、1.8 V和1.2 V輸出則分別為EEPROM元件、主微控制器單元(MCU)和電池管理系統(BMS) MCU供電。

-3.0 V偏置軌

LTC1983為驅動BBU的運算放大器提供關鍵的-3 V電源軌，是電荷泵反相器的明智選擇。該元件僅需一對附加電容即可支援高達100 mA的輸出負載，這證明其固有效率非常高。值得注意的是，此種高效率得益於其微小的外型尺寸，此一設計特性賦予了其獨特的優勢——在BBU電源板上僅需1 mm空間即可發揮作用。

BBU休眠工作模式下的輔助電源

3.3 V、1.8 V和1.2 V偏置軌

MAX17551為一款性能突出的同步降壓轉換器，可將電池堆的48 V電壓轉換為穩定的3.3 V輸出。此電壓可作為一個重要通道，在主MCU和BMS MCU處於休眠模式時將電力輸送至其數位通用接腳。選擇此款降壓轉換器是因為其具有以下優勢：輸入電壓範圍寬廣，可包含從4 V到60 V，通用性強；外型精巧，節省空間；運行效率卓越，最低功耗不到10 mW。這些特性的融合，使其成為提高電池堆整體耐用性和續航能力的優選解決方案。

ADP165 LDO 穩壓器實現了更為複雜的降壓功能，可精準將電源電壓從3.3 V降至1.2 V。此種具有針對性的降壓可作為主要能源，為主MCU和BMS MCU的核心操作供電。在微控制器電路中巧妙地整合LDO穩壓器可以改善電壓調節，明顯降低雜訊，簡化設計架構，提高運行效率，並提升可靠性標準。此外，ADP165的功耗不到 15 μW，因此系統能耗大幅降低，電池的續航時間也可具體延長。

最後，為了供應類比和USB電源電壓以及其他一些核心電壓，系統採用了MAX38911，其能精準將電源電壓從3.3 V降至1.8 V。此LDO穩壓器可以輸送高達500 mA的負載電流，足以提供微控制器所需的負載電流。該電源轉換器在低功耗模式下消耗約19.2 μA的電源電流，因而適合休眠工作模式。

有鑑於輔助電源在充電或放電操作期間的效率高達94%，而在休眠模式期間的效率為62%，為了保持一致的理想性能，回應式熱管理的重要性甚為關鍵。為輔助電路選擇適當元件的意義不僅在於提升普通功能；更關鍵的是，這構成了在BBU 不同工作狀態下的設計完整性的基礎。借助該策略可以預測整體功耗，並估算電池的使用壽命。此外，其支援以經濟有效的方式改善輔助電路的性能，最終將能全面性的提升該單元的整體效率。¹

總結

在本系列的最後一篇文章中，輔助電源被描述為BBU的關鍵元件，主要負責協調各種重要功能。其功能涉及許多關鍵責任，所有責任對於BBU的穩定、可靠、安全運行都相當重要。輔助電源作為後備電源，如同保護盾，負責調整電壓水準、管理散熱風扇電源、採取保護措施以及開展開機自檢等。這些操作精妙地相互作用，以提供不斷電供應系統，保護元件，並延長整個系統的壽命。

輔助電源是為類比和數位元件提供可靠補充電源的關鍵因素。隨著輔助電源技術的進步，資料中心PSU和BBU的效率和安全性不斷提升，功耗不斷降低，進而推動持續創新。不斷演進的全球科技對電源的需求日益增長，而持續的技術進步是對如此需求的有力回應，其不僅塑造了現今，也影響著未來的電氣化。

本系列文章的每一篇都是一份完整的資源，提供了適切的引導，協助設計和應用工程師獲得必要的見解，以便基於OCP ORV3 BBU提供的複雜規範建構更智慧、更可靠、更具成本效益的解決方案。為此，文中提供了詳盡的元件選型流程、周全的操作指南、工程設計方法以及具體的程式性建議。

參考文獻

¹David Sun。「開放運算專案開放機架V3 48 BBU 1.3版」。開放運算專案，2022年11月。