（通信与信息系统专业论文）atca平台刀片服务器电源的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着网络时代的发展，无限增长的数据对服务器提出了新的要求：节约空 间，便于集中管理，易于扩展和提供不问断的服务。刀片服务器( b l a d es e r v e r ) 由此应运而生。而在刀片服务器系统中，服务器单板性能和密集程度有了大幅 度的提高，每个单板的功耗可达3 0 0 w ，电源系统的性能良好与否直接关系到服 务器是否可以高效率的工作。尤其是随着处理器芯片、芯片组、以及各个控制 芯片工艺、性能的提升，芯片需求的核电压越来越小，电流越来越大，这使得 对单板电源的可靠性，稳定性，效率，以及动态响应特性要求越来越高。 本文提出了一种以a m d 皓龙处理器为核心的刀片服务器供电系统的解决 方案。首先根据单板芯片以及外围电路的功耗需求，设计出一种基于a t c a 规 范的系统电源拓扑结构。 其次根据系统电源技术指标要求，对系统各个模块提出了详细的设计方案。 主要包括缓启模块、b u c k 型开关电源模块、l d o 模块、s t b 电源模块以及电源 管理模块。其中b u c k 型开关电源模块为关键芯片以及相关电路提供所需电压， 是本文研究重点，包括以t p s 4 0 0 7 1 为核心的降压模块和v r m ( 电压调节模块) 电路。本文中t p s 模块采用电流型p w m 控制方式，通过电压反馈环和电流反 馈环的双环控制系统构成反馈环路，相对于传统的电压型控制方式具有更高的 稳定性和负载变化时的快速响应特性。根据c p u 电源需求特点，本文提出了一 种基于h i p 6 3 0 1 的并联模式下的多相控制开关电源方案来实现v r m 电路，在满 足c p u 低电压，大电流需求的同时，可以提高负载的瞬态响应。 由于单板电源种类繁多，各个芯片对电源时序的要求各不相同，所以本文 对单板电源时序进行了论述，通过南桥电源监控单元和逻辑模块来控制单板上 电时序。 最后，通过搭建测试环境，对主要开关电源模块性能进行测试，包括转换 效率以及精度测试、纹波测试、驱动测试以及动态响应测试等，测试结果满足 系统设计指标。 关键词：刀片服务器；开关电源；t p s 4 0 0 7 1 ；l d o ；动态响应 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e ta g e ，t h eu n l i m i t e di n c r e a s i n gd a t ah a sp u t f o r w a r ds o m en e wd e m a n d st ot h e s e r v e r s ，s u c ha ss a v i n gs p a c e ，e a s yt o i m p l e m e n t i n gc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dp r o v i d i n gu n i n t e r r u p t e d l ys e r v i c e s ot h e b l a d es e r v e rw a sb o m i nt h es y s t e mo fb l a d es e r v e r , e v e r ys i g n a lb o a r dp e r f o r m a n c e a n di n t e g r a t i o nh a si m p r o v e dal o t t h ep o w e r d i s s i p a t i o no fe v e r ys i g a lb o a r di so v e r 3 0 0 w , s ot h es y s t e mp o w e rd i s s i p a t i o nc a nb ea l sm u c ha so v e rt h o u s a n dw a r s t h e p o w e rh a sd i r e e te f f e c to l lt h ep e r f o r m a n c eo ft h es e r v e r s e s p e c i a l l ya st h er a p i d l y d e v e l o p m e n to fc p u , c h i p s e ta n dc o n t r o l lc h i p s ，t h eg o r ev o l t a g ei sl o w e ra n dl o w e r , t h ec u r r e n ti sh i g n e ra nh i g h e r a l s o ，t h er e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fp o w e r m u s tr e a c ht h eh i g n e rd e m a n d 。 t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g nt h ep o w e rs y s t e mo fb l a d es e r v e rb o a r db a s eo n a m d o p e r t o np r o c e s s o r f i r s to fa l l ，f o rt h ep o w e rd i s s i p a t i o nd e m a n d so ft h ek e y c h i p sa n dp e r i p h e r a lc i r c u i t ，t h et o p o l o g ys t r u c t u r eb a s eo na t c ao ft h ep o w e r s y s t e mi sd e s i g n e d a n d t h e n , a c c o r d i n gt ot h eg u i d el i n eo fs y s t e m ，e v e r ys i g n a lp o w e rm o d u l ei s d e s i g n e di nd e t a i l i n c l u d i n g4 8 vs l o ws t a r tm o u d l e ，b u c ks w i t c hm o d u l e ，s t bp o w e r m o d u l ea n dl d o t h e r e i n t o ，t h e r e i n t o ，b u c ks w i t c hm o d u l ep r o v i d e st h ev o l t a g es u p p l y f o rk e yc h i pa n dr e l a t i v ec i r c u i t s ，i n c l u d i n gt p s 4 0 0 71m o d u l ea n dv r m i nt h i s p a p e r , t h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u eo fp w m c u r r e n tm o d ei su s e dt oc o n t r o lb u c k m o d u l e ，t h ef e e d b a c kl o o pi sr e a l i z e db yv o l t a g ef e e b a c ka n dc u r r e n tf e e d b a c k i th a s h i g h e rs t a b i l i t ya n df a s t e rt r a n s i e n tr e s p o n s e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fc p up o w e r d e m a n d ，t h e p a p e rp r o v i d eam e t h o do f m u l t i p h a s cd c d cp o w e rt or e a l i z ev r m ， t h i st e c h n i q u ec a ni m p r o v et h ef a s tr e s p o n s ec a p a b i l i t yw h i l et h er e q u i r e m e n to fl o w v o l t a g ea n dh i g hc u r r e n ta r es a t i s f i e d b e c a u s eo fag r e a tv a r i e t yo fp o w e ra n dd i f f e r e n tc h i ph a sd i f f e r e n tt i m e s e q u e n c ed e m a n d t h el o g i cm o d u l ei sd e s i g n e dt om a k es u r et h eb o a r dp o w e ra c t si n a c c o r d a n c ew i t ht h ec o r r e c tt i m es e q u e n c e 珏 武汉理工大学硕士学位论文 a tl a s t ，t h es i g n a lb o a r dp o w e ri st e s t e df r o mf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ，s w i t c h e f f i c i e n c ya n dv o l t a g ep r e c i s i o n ，r i p p l ea n dn o i s e ；t r a n s i e n tr e s p o n s e t h et e s tr e s u l t s c a l ls a t i s f yt h es y s t e md e m a n d k e yw o r d s ：b l a d es e r v e r , s w i t c h e dp o w e r , t p s 4 0 0 71 ，l d o ，t r a n s i e n tr e s p o n s e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：弛睦日期：兰1 2 垒塑：三目 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：缛飞澎 导师( 签名) 彩芴二毛一日期协辛罗j 1 订j 7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及其意义 随着网络时代的快速发展，服务器进入了市场、应用和技术相辅相成并快 速发展的新阶段。服务器在网络中承担传输和处理大量数据的任务，要具备高可 伸缩性、高可靠性、高可用性和高可管理性。对于企业和网络信息提供商来说， 无限增长的数据必须集中存储和处理，于是未来的网络发展呈现出集中计算的趋 势。集中管理模式对服务器提出了新的要求：节约空间，便于集中管理、易于 扩展和提供不问断的服务，成为对下一代服务器的新要求。刀片服务器( b l a d e s e r v e r ) 由此应运而生。 所谓刀片服务器是指在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的服务器 单元，实现高可用和高密度。每一块“刀片”实际上就是一块系统主板。它们可以 通过“板载”硬盘启动自己的操作系统，类似于一个个独立的服务器，在这种模式 下，每一块母板运行自己的系统，服务于指定的不同用户群，相互之间没有关联。 在集群模式下，所有的母板可以连接起来提供高速的网络环境，并同时共享资 源，为相同的用户群服务。在集群中插入新的“刀片”，就可以提高整体性能。而 由于每块“刀片”都是热插拔的，所以，系统可以轻松地进行替换，并且将维护时 间减少到最i l j 。 而服务器的处理能力，与提供这一能力所需的电源动力、所产生的热量以 及处理器在可承受温度下的降温系统有着密切关系。在处理器能力日趋强大， 服务器内部空间利用率越来越高的今天，对电源的要求日趋迫切。尤其是刀片 服务器，每个单板的功率将近3 0 0 w ，整机功率可达到几千瓦，而且随着c p u 工艺的发展，核电压越来越小，供电电流越来越大，这就对服务器电源系统的 可靠性，转换效率以及散热提出了更高的要求 2 1 。 刀片服务器发展以来，先后有多种标准被提出，而a t c a 规范因其开放性 和模块化的优点，获得广大电信设备商和运营商的青睐，通过高性能和良好的 性价比，加上标准化的模块化架构，给电信设备构架带来了革命性的改变；摆 脱现存私有架构的束缚，最大限度的实现厂商之间的互操作性、兼容性，节约 开发时间，降低开发成本p j 。 武汉理工大学硕士学位论文 目前已经有2 0 0 多家企业在生产a t c a 标准的相关产品，在这种情况下， 研究基于a t c a 平台的服务器电源系统是十分必要的。本课题的研究目的就是 针对a t c a 平台下的刀片服务器电源系统的设计。从电源的基本架构，到各个 模块的详细设计以及后期测试都给出了具体方案。 1 2 国内外研究的现状和发展趋势 高性能计算发展水平是一个国家科技实力的综合体现。从发展总体上看， 我国高性能计算在更广泛的应用领域与西方国家仍存有很大差距。一方面，国 外品牌还占领着很多关乎国计民生的关键领域和行业，国产高性能服务器的市 场份额仍然偏低。另一方面，我国高性能计算的应用还不够广、不够深入，应 用水平和应用效率都比较低下【4 j 。 2 0 0 2 年，刀片服务器进入中国。目前，市场上应用的主要是以i b m ，h p ， 等国外厂家的刀片服务器为主。国内在这方面也在迎头赶上，曙光、浪潮、 华为已相继开始自主设计，推出商用刀片服务器，但是仍有许多细节问题制 约国内刀片服务器的进一步发展，电源的需求是一个重要方面。其中主要表 现在电源设计兼容性以及低电压大电流d c d c 电压转换模块设计方面。 2 0 世纪9 0 年代起，采用p w m 方式的高功率密度d c d c 变换器就走入 市场，称之为第一代产品，但变压器等磁性元件以及滤波器占据了大部分体 积，工作频率由于各种原因被限制在数百千赫兹以内1 5 】。美国v i c o r 公司在 随后推出v i 系列软开关高密度d c d c 产品，以零电流、零电压软开关控制 技术为基础，使产品达到了与理想功率极为接近的境地，功率密度相比第一 代产品增加了两倍，达到1 2 0 w i n 3 。如今，随着体积不断减小，d c d c 变换 器不仅可以安装在电路板上，而且效率方面有了极大提升，市场上，l 4 砖封 装的产品可以提供3 0 a 电流，效率高达9 0 ，性能方面的巨大进步主要因为 出现了高性能的金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) ，在同步整流器中取 代了原有的二极整流管，使得功率密度增大了一倍，这也为高密集度的刀片 服务器中d c d c 模块的实现提供了可行性1 6 。j 。 国外i c 制造厂商，例如i n t e r s i l ，v o l t e r r a ，t i 都推出了各种通信电源常用的 d c d c 转化器，并在此基础上推出了a t c a 架构的电源解决方案，各个刀片服 务器供应商也在机框的散热以及系统降温等方面做出了很大的优化。随着服务 器单板体积密度越来越高，性能越来越强，服务器电源模块在以后的发展中会 2 武汉理工大学硕士学位论文 向着具有更好的可靠性，更高的效率，以及更快的散热，更小的体积发展。 1 3 课题来源与论文结构 本课题来源于实习期间公司b a 2 2 刀片服务器开发项目，本文主要负责刀片 服务器系统中电源部分的硬件电路设计以及后期调试。研究重点是电源系统的 拓扑结构设计和关键模块的电路设计以及后期调试。 基于a t c a 平台的刀片服务器单板的电源系统的设计主要是针对以a m d 处 理器为核心的单板，针对服务器单板对电源的功耗需求，设计出a t c a 规范下 的电源系统架构，并对各个模块提出详细的解决方案，其中二次电源采用b u c k 型开关电源实现，c p u 电源采用多相控制技术实现，同时对单板的可靠性，稳 定性进行了探讨。主要章节内容安排如下： 第l 章论述了刀片服务器单板电源研究的目的和意义，并对国内外研究现 状以及发展趋势进行了分析； 第2 章对a t c a 规范进行了介绍，并论述了单板总体设计方案的基础上， 对单板电源的总体功耗进行了计算，并设计出单板电源系统的拓扑结构； 第3 章论述了单板电源各个具体模块的详细设计方案，以及器件选型，具 体电路图。其中包括4 8 v 缓启动模块，二次电源模块，5 v s t a n d b y 模块，l d o 电压模块； 第4 章根据各个芯片时序要求，分析了单板上电时序； 第5 章对单板电源的各项关键性能进行测试，并给出测试波形； 第6 章对本文的研究进行总结，并对刀片服务器电源的发展趋势做出预测。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章b a 2 2 服务器电源总体设计 2 1a t c a 标准 a t c a 8 - 9 ( a d v a n c e dt e l e c o mc o m p u t i n ga r c h i t e c t u r e ) 标准即先进的电信 计算平台，a t c a 标准是由一个核心规范一i c m g 3 0 和一系列辅助规范组成。 在核心规范中定义了机械结构、散热管理、电源分配和系统管理，支持灵活开 发和配置的重复使用。采用开放、通用的平台架构是未来电信设备发展的主要 方向，a t c a 作为新一代的开放式工业标准，一经推出后，就受到了业界瞩目。 p i c m g 3 0 标准的第四部分对电源分配做了具体描述，与传统的- 4 8 v 电源技术相 比，a t c a 电源系统提供若干优势，包括更高的可靠性、开放规范、单独的电路 套，图2 1 显示了通用的a t c a 电源系统架构。 v w r n _ a 、m t na - 档v a - 4 0 v _ b 图2 1 通用a t c a 电源架构 本文服务器单板电源按照a t c a 架构设计，下面章节中对具体设计方案加 以详细说明。 武汉理工太学硕士学位论文 2 2 刀片服务器 刀片服务器的基本概念在第一章已经加以介绍，这里对它的特点咀及构成 加以介绍。每台刀片服务器一般由机柜和若干服务器单板以及相关的管理板和 交换板组成，机柜一般可以容纳8 到1 4 个服务器单板，通过背板上的接口与机 柜连接而每个单板都是一个完整的服务器。图2 2 为满配8 个服务器单板的刀 片服务器正面框图。 图22 刀片服务器正面基本结构 图22 中的刀片服务器由机框，服务器单板( 刀片) ，交换扳，s m m ( 系统 管理板) 以及服务器单板与交换班的后插板组成。服务器单板为核心数据处理 单元。是整个系统的核心。s m m 板负责各个单板状态管理，日志记录等。 刀片服务器在设计之初都具有低功耗、空间小、单机售价低等特点，同时 它还继承发扬了传统服务器的一些技术指标，比如把热插拔和冗余运用到刀片 服务器之中，这些设计满足了密集计算环境对服务器性能的需求。有的还通过 内置的负载均衡技术，有效地提高了服务器的稳定性和核心网络性能。而从外 表看，与传统的机架肚箬式服务器相比，刀片服务器能够最大限度地节约服务器 的使用空间和费用，并为用户提供灵活、便捷的扩展升级手段。 2 3 服务器单板概述 2 3 1b a 2 2 刀片服务器功能 b a 2 2 服务器板基于a m d o 口t e r o n 职核( 四核) 处理器，支持d d r 2 内存 ， t 口旧闭幽幽蜀 口|口冈悯幽囝口幽斟口口旧闷圆圈图叫1rij矗刍爿叫i叫虱叫刮；叫0蚕叫叫叫ijh固 武汉理工大学硕士学位论文 与s a s 硬盘控制器，支持机箱内部g e 、f c 、s a s 交换，能够扩展多种存储、 i o 资源，是高性能、高可用的服务器系统。单板在整个业务平台( a t c a 架构) 的服务器单元槽位，占用一个槽位空间，b a 2 2 单板的机电、背板连接和热设计 完全采用p i c m g3 0 3 1 标准，兼容通用a t c a 硬件平台。单板主要实现三个 方面的功能：处理功能，接口功能，管理功能。 单板处理功能，b a 2 2 单板采用a m d 的双c o r eo p t e r o n 处理器。 单板接口功能，b a 2 2 服务器单板接口功能主要实现以下接口特性：2 个g e ( 1 0 1 0 0 1 0 0 0 b a s e t ) 接口，硬盘接口，面板串口接口，面板u s b 接口，面 板手动操作，指示灯，外出业务接口。 单板管理功能，单板管理方面，提供独立的b m c 模块和冗余备份的i p m b 总线，实现p i c m g 3 0 兼容的设备管理。 2 3 2 关键器件选择 在本系统中，单板所需的关键器件如表2 1 ，主要包括处理器，芯片组芯片， 逻辑芯片，网卡芯片以及硬盘控制器等。 表2 1 关键芯片列表 器件名称器件功能对外接口以及速率 o p t e r o n 处理器h t ：1 o h zd d ri i4 0 0 5 3 3 6 6 7 c k 8 0 4 南桥芯片 p c i e ：2 5 g p b s l s i1 0 6 4硬盘控制器 p c i x ：1 3 3 m h z f p g ak v m 逻辑 p c h3 3 m h zd d r ：13 3 m h z b c m 5 7 1 5网卡芯片 p c i - e - 2 5 g p b s p c i - x ：13 3 m h z 2 3 3b a 2 2 服务器总体架构 单板划分为以下几大模块： 1 ) 处理器模块，包括a m do p t e r o n 处理器、d d r i i 存储器、h t 总线接口 等；o p t e r o n 处理器单元由两颗a m i ) o p t e r o nr e vf 处理器、d d r i i 内存条及其 周边电路、接口组成，是单板的计算与处理中心【l o j 。 2 ) 芯片组以及附属i o 模块，以c k 8 0 4 为核心，包含部分在板的i o 设备， 如b i o s u s b 等。桥片模块的功能是扩展系统i o ，连接处理器与其他模块。其 核心是n v i d i ac k 8 0 4 p r o t l l j 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 网络接口模块：b c m 5 7 1 5 外扩两个b a s e 平面以太网接口，支持网络启 动：a t c a 系统b a s e 平面需要2 路g e 接口( 1 0 1 0 0 l 0 0 0 b a s e t ) ，在主板上 实现，g e 控制器采用b c m 5 7 15 c ，主机接i ：i 为p c i e x p r e s s t l 2 】。 4 ) v g a + f p g a 模块：包括v g a 控制器、f p g a 、u s b 控制器；v g a 控 制器采用x g i 公司的z 9 ，挂在c k 8 0 4 的p c i 接口下。通过z 9 扩展d v i 接口到 f p g a 实现视频采集，另外z 9 的c r t 接口到后插板进行v g a 接口扩展。f p g a 实现以后的k v m 特性，集成f p g a 硬件电路，同时考虑以后的扩展特性即可。 5 ) 硬盘接口模块：板载硬盘控制器，外出两个s a s 硬盘接口；硬盘控制器 采用l s i1 0 6 4 ，支持r a i d o 1 u j 。 6 ) 时钟模块：主要由c k 8 0 4 的时钟发生器给本板其他芯片提供时钟。 7 ) 电源模块：包括一4 8 v 转1 2 w 5 v s b y 、1 2 v 转单板所需电压，是本文主 要研究内容。 8 ) b m c 与逻辑模块：b m c ( b o a r dm a n a g e m e n tc o n t r o l l e r ) 模块是处理器 单板的硬件管理模块。 本文主要电源模块的硬件电路进行设计，调试以及性能测试。提出了符合 a t c a 规范的单板整体电源解决方案。 2 4 系统电源功耗需求 通信电源【1 4 】一般都选用4 8 v 供电，b a 2 2 单板由背板提供双路输入的4 8 v 供电，转换成本板需求电压( 5 v 、3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 、1 5 v 、1 2 v 、v c o r e 等) 。 根据单板各器件d a t a s h e e t 中给出参数，选取最大值，可计算出单板最大功耗需 求，如表2 2 所示。 表2 2 单板功耗需求表 器件名称数量 器件功耗t w )器件工作电压砌率 c o r e 电压：1 1 v 1 5 5 0 v 处理器c p u 2 2 6 8 w = 1 3 6 w ( m a x ) i m a x 电流：6 0 a 1 2 v 0 3 a = o 3 6 w n v i d 认c k 8 0 4 p r o 114 4 9 5 8 w ( m a x ) 1 5 v 8 4 3 a = 1 2 6 4 5 w 南桥 3 3 v 幸0 3 7 6 a = 1 2 4 0 8 w 5 * 0 0 5 a = 0 2 5 w 1 8 v l2 9 a = 2 3 3 w d d r i i 内存条 44 * 6 5 w = 2 6 w 0 9 v 3 a - - 2 7 w 7 武汉理工大学硕士学位论文 器件名称 数量 器件功耗( w )器件工作电压励率 1 2 v ( c o r e ) 幸0 8 8 = 1 0 5 w v g a 控制器 l2 7 w ( m a x ) 1 8 v ( a n a l o g ) 0 1 = 0 3 5 w x g iz 9 2 5 v ( d d r ) 0 2 0 = 0 5 w 3 3 v ( p c i ) 奉0 2 6 = 0 8 5 w s a s 控制器 l 4 8 6 ( m a x ) 3 3 v l a = 3 3 w l s i s a s l 0 6 4 1 2 v 1 3 a = 1 5 6 w f p g a 3 3 v o 2 a = 0 6 6 w l 2 8 w2 5 v 0 4 a = l w c y c l o n e l ie p 2 c 8 f 8 1 2 v 幸l a = 1 2 w 3 3 ( o 0 1 3 5 + 0 0 5 5 ) a b m c + c p l dl1 w ( m a x ) = o 2 2 6 0 5 w 以太网控制器 1 2 v | 1 2 38 a = 2 8 5 6 w b c m 5 7 1 5 c l 5 0 9 5 w ( m a x ) 2 5 v 0 4 6 a = 1 1 5 w 3 3 v 奉0 3 3 a = 1 0 8 9 w 后插板 l 5 0 w ( m a x ) 接口电路 2 5 w 合计 约2 6 0 w 其中，v g a 控制器由于手册上没有功耗相关说明，故参考a t ir n 5 0 功耗 进行计算。s a s 控制器中由于s a t a 和s a s 接口不同时使用，因此二者功耗不 进行累加。f p g a 以及b m c 模块中3 3 v 使用s b y 电源独立供电。内存条按照 满配时4 根计算功耗。南桥部分器件手册中给出的器件最大功耗约为1 5 w ，去 除未使用电路功耗并考虑到本板中未使用其s a t a 接口，故c k 8 0 4 正常工作时 功耗大概为1 0 w 左右。 同时，可计算出板内各个电源最大需求，电压，电流需求参见表2 3 。 表2 3 单板电压电流需求表 编号电压 电流( a )功率( w ) lv r d 0 ( c p u )6 0 a6 8 w 2 v r d i ( c p u ) 6 0 a6 8 w 3 1 8 v ( d d r 2 ) 1 4 a2 5 2 w 4 0 9 v ( d d 9 2 ) 3 a 2 7 w 53 - 3 v2 7 6 69 1 3 w 61 8v0 2 70 4 9 w 71 5 v8 4 3 a1 2 6 4 w 81 2 v5 8 6 a 7 w s 亟堡里兰查兰堡主芏堡堡兰 犏号 电压 电流( a )功事( w ) 1 2 v ( 给后插板供电) 1 2 33 v s b y29 8 w 2 5 系统电源架构设计 随着c p u 的发展，不同功能和不同频率芯片的要求，主板上电源的种类越 来越多。低电压电源的电流也越来越大。特别是c p u 的核心电压越来越低，而 电流越来越来越犬。而系统的电源按常规仅有5 v 、33 v 、1 2 v 、和5 v s t a n d b y 少数种类电源因此如何设计电源系统，将有限的电源种类转换为主扳系统所 需的多种类电源，显得非常重要。 根据a t c a 电源通用架构结合单板自身电源需求，单板电源采用中间总线 架构( i b a ) 总线架构，即前级采用电源模块将4 8 v 转1 2 v 总线和s t a n d b y 电源， 1 2 v 电源总线然后再通过多个p o l ( p o i n to fl o a d ) 转换为各个芯片所需电压。 s t a n d b y 电源用于单板管理模块b m c 以及南桥部分监控f o 供电，需要保证在 各电压之前上电，所以由4 8 v 采用单独电压模块直接转换而来。单板电源架构 如图23 所示： 勘 圈1 围 一叵圄 二薹；二= ，藿骂 ! i ”墨圈 _ ( = = 量出 j i 口 一4 巴翌j 一 一2 固 _ 三口 。回 伫蜜i 璺 。“ ! ! 图23b a 2 2 单板电源系统拓扑结构 武汉理工大学硕士学位论文 单板电源具体可分为以下几个模块g 缓启动模块，4 8 v 转1 2 v 模块，二次 电源模块，s t a n d b y 电源模块。其中二次电源模块根据具体电源模块实现方案的 不同，可分为d c d c 开关电源模块和l d o ( 1 0 wd r o p o u tr e g u l a t o r ，低压差线性稳 压器) 电源模块。下面章节中对各个模块的实现方案进行详细设计。 电源系统拓扑图设计中，除了两个c p u 进行独立供电，d d r ，南桥芯片 ( c k 8 0 4 ) ，显卡芯片( v g a ) 等关键器件也采取单独供电。此时每个电源模块 单独对相应元件进行电压过载保护，不会因为某个稳压器的故障使系统瘫痪。 此外有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合，大大提高供电系 统的可靠性，也有助于电源的散热。更为重要的是，c p u 总线上电压的变化不 会影响内存和显卡的电压，有助于在超频时提高稳定性。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章b a 2 2 服务器电源模块设计 3 1 电源缓启动模块 通信系统大都是由不同的子系统机架、插框或机箱等组成，每个机架或插 框都包含一个主机或主控板、一路或多路电源以及各种业务单板。不同模块间 一般是由背板或母板相连，电源往往是由电源总线提供给各模块插槽。如果系 统在运行过程中需要更换模块，就需要考虑热插拔需求。单板输入端大都有较 大的滤波电容，当一块放了电的容性负载单板带电插入背板时，会产生较大的 过冲电流，引起输入电压跌落、连接器插针打火等现象，因而在电路的输入端 需要有一个电源接口电路来控制电压或电流的上升斜率或幅值，以缓解或消除 热插拔或系统上电时可能带来的不良影响，这就是我们通常所说的电源缓启动 电路【1 5 1 6 1 。这里先介绍几个相关概念。 缓启电流：单板在缓启期间的输入电流称为缓启电流；在一定的缓启输出 容性负载下，缓启电流大小体现了缓启输出电压上升快慢程度。对于确定的输 入电压，当输出端容性负载确定时，缓启电流越小，缓启时间越长。 防抖动延时：单板带电插入背板时刻( 电源连接器插头座开始接触) 与单 板缓启动的输出电压开始上升时刻( m o s 管由截止转为导通) 的时间间隔i l n 。 缓启时间：缓启动开始时刻( m o s 管开始导通时刻) 至缓启动结束时刻 ( m o s 管处于饱和导通状态) 的时间间隔。缓启时间通常建议在1 0 m s 以内。 缓启动模作为单板输入电路中的核心电路，在系统中的位置如图3 1 所示。 背 板 供 电 旷u s ci 1 n - 4 8 vi n 4 8 yb 厂 i 一 i - j ll l1 - 4 8 v = r t na 亡_ 1li 缓启 一划厂i lr g n nl r t nr li 图3 1 - 4 8 v 输入模块框图 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 中，机框通过背板提供2 路4 8 v 电源给单板，这样如果一路电源出了问 题，单板还可以正常工作。提高了系统的可靠性。 框图中的- 4 8 v 缓启动电路由分立元件实现，采用功率m o s 管串联在电源回 路中，通过控制m o s 管栅源( g s ) 电压来实现可变电阻，控制电路输出电压和 电流的目的。原理图如图3 2 所示。 g n d 畦2 0 k扣 争q 互下 l o j 儿 张棼# ? 一0 , 46 r 、v 上7 _ j c 8 o 0 1 u tt 4 8 、，1 - 图3 2 缓启动模块电路原理图 该分立元件组成的缓启动电路是一种电压控制型电路，主要依靠m o s 管q 1 分压来控制浪涌电流。当电源开始上电时，c 1 两端电压为0 ，m o s 管不导通，电 源通过r l 、i u 给c 1 充电，充电时间常数为限1 r 2 ) * c i ，当c 1 两端电压达到 m o s 管的门限电压时，m o s 管开始导通，输出电压的上升斜率跟随v g 的斜率变 化，在电压上升过程中m o s 管的作用是一个源极跟随器，输出电压上升斜率大 致由栅极电压控制，实现缓启动，而输出电流上升斜率由负载阻抗决定。负载 电容c 8 和电压上升斜率决定了缓启电流的峰值过冲。而稳态时m o s 管则变为一 个低阻通路。 选择m o s 管作为缓启动电路的开关管，主要是由于它有较低的导通内阻， 电路正常工作时功耗较小。此外，m o s 管为电压型控制，使得驱动电路的设计 更为简单。m o s 管q 1 选用i r f 5 4 0 ，阈值电压2 4 v 。通过设置r l 、i 巧、c l 来调 节防抖动延迟时间。稳压管d 1 用来控制栅源电压幅度。d 2 的主要作用是在上电 时通过c 1 防止m o s 管误导通，并在c 1 电压高于栅极电压时截止，以防止m o s 管 栅极充电过程受c l 影响。由于d 2 的正向导通压降会影响去抖动延时，要选用导 通压降小的肖特基二极管。r 3 、r 4 是防止m o s 管自激振荡，要求r 3 ，r 4 il - l v- l 。 i _ ：l r i _ l 石r 订i i 图3 3 缓启动电路测试波形 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 通过图3 3 可以看出，防抖动延时为1 0 m s ，单板在防抖动延时期间，m o s 管 截止，输出电压为0 v ，防止单板插入机框由于连接器插针或触点弹跳而引起的 电源抖动。缓启动开始时刻到缓启动结束时刻的缓启动时间为2 m s 。 该电路优点： ( 1 ) 电路设计简单，技术成熟可靠，成本低； ( 2 ) 上电冲击电流可控，有利于保险管选型； ( 3 ) 电路可满足大功耗单板使用，如电源板。 3 24 8 v 转1 2 v 模块 由于1 2 v 电压为后级各个p o l 供电，要求有较高的稳压精度。单板电源需求 列表中统计的单板功率为2 7 5 w ，后级p o l 转换电路按照8 5 的转换来计算需要 的1 2 v 输出功率为2 7 5 0 8 5 = 3 2 3 ( w ) ，此电源模块采用 r y e o 公司的q b k 0 3 3 a o b 。 输入电压范围为3 6 “0 v ，输出电压1 2 v 电流达到3 3 a ，广泛应用于服务器与存储 设备中。该模块具有以下特点： 电源利用效率可达到9 4 5 ，输出纹波噪声小； 工业级的模块化设计，体积小，模块化设计，易于维修维护； 输出过流，过压保护以及模块自身过热保护； 运行温度范围可在- 4 0 一8 5 ，输入输出采取电气隔离措施。 由于此模块可直接应用，无需过多外围电路辅助，本文对此模块不做具体 介绍，具体应用电路见图3 4 。电路图中左边部分为电源使能控制，由逻辑发出 使能信号控制1 2 v 模块上电。 图3 41 2 v 电源模块电路图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 3b u c k 型开关电源模块 d c d c 开关电源包括b o o s t ( 升压) 、b u c k ( 降压) 和反相结构，b u c k 型开关电源， 具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点1 1 8 - 2 0 。b a 2 2 单板电源方案中对大 电流输出以及对效率要求比较高的电源选取b u c k 型d c d c 电源，如c p u ，d d r ， h t 总线等。它将开关管置于输入和输出之间，通过调整占空比来控制输出直流 电压的平均值。该平均电压由可调整的方波脉冲构成，其平均值为直流输出电 压。使用合适的l c 滤波器可将方波脉冲平滑成较小纹波的直流输出，其值等于 方波脉冲的平均值。整个电路采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反 馈控制占空比，稳定输出电压不受输入电压和负载变化的影响。 3 3 1 稳压原理概述 图3 5b u c k 型开关电源拓扑结构 图3 5 中开关s w 使用专用的d c d c 控制器进行控制，s w 一般为一个m o s 管， 开关管交替工作于通断两种状态，输入端当开关s w 导通时，输入端电源通过开 关及电感器l 对负载供电，并同时对电感器l 充电，当开关关断时，电感器l 中的 反向电动势使续流二极管d 自动导通，电感器l 中储存的能量通过续流二极管d 形成的回路，对负载继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流【2 1 1 。 设占空比为d = 易丁。当开关s w 导通时，忽略开关上的损耗，流过电感 的电流为，呈线性增长，由电感的状态方程可得 d ； 三兰兰尘= 杉一圪叫 ( 3 - 1 ) t 一 u w a l 当开关s w 关断时，二极管d 反向导通续留，流过电感的电流减小，忽略d 上的损耗，电感的状态方程为 三= = 一圪哪 ( 3 - 2 ) ，w 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 当开关处于连续工作模式时，开关的导通时间为，则电感电流的变化量 为壁学；开关的关断时间为( 1 - d ) t ，电感电流的变化量为半。 在稳定状态时，一个周期内电感电流的变化量为零，因此 ! 匕二幺壶生：幺! ! 二望三 j 已三 ( 3 3 ) vo=d(3-4) 公式3 - 4 表明，稳态时开关电源的输出电压时一个常数，其大小与占空比d 和电源输入电压成正比。当电源电压变化时，系统通过调整占空比来获得稳定 的输出电压。 3 3 2 控制方式选择 开关电源的控制方式 2 4 1 主要有两种：脉冲宽度调制( p w m ) 、脉冲频率调 制( p f m ) 。p f m 调制方式在低负载时效率高，电感电流波动较大，输出纹波较 大。而p w m 调制方式在重负载时效率高，电感电流波动较小，输出纹波小。而 本板开关电源都是工作在重载情况下，所以我们选择p w m 控制方式。 p w m 控制方式【2 5 - 2 6 1 是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，该 方式是在频率一定的情况下，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，从而改变占 空比来等效的获得所需要的电压。特点是噪音低、重载时效率高。 图3 6 电流型p w m 控制方式框图 如图3 6 所示，内部时钟产生一个固定的时钟频率。在每个周期t 内，输出反 馈电压通过外环反馈网络进入误差放大器后产生误差电压，内环反馈系统反 馈的电感峰值电流采样信号为周期性三角波，它与进行比较，当吒删 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 高于时，比较器输出控制单稳态触发器复位从而控制开关晶体管的关断。通 过控制开关晶体管的导通时间从而调整占空比，实现输出稳压。 3 3 3 元器件选型原则 将图3 5 的开关器件用p w m 开关控制器以及上桥m o s 管替代，用低心册 ( m o s 管导通电阻) 代替肖特基二极管作为上桥m o s 管截止时电感电流到地的 通路。得到如图3 7 的b u c k 型开关电源框图。开关电源外围元器件选择对电路的 稳定性以及精确性都有很大影响，下面对开关电源中关键器件的选型原则予