本文概述了OCP ORV3 (Open Compute Project Open Rack Version 3) BBU (battery backup unit)的系统需求。它强调了拥有一个高效智能的BBU的重要性，它可以在停电时提供能量。此外，它还将展示为满足书面规范而开发的数字设计解决方案、电气和机械解决方案及其架构。

介绍

数据中心为互联网提供动力，连接着世界各地的社区。Facebook、Instagram和X(以前称为Twitter)等社交媒体公司依靠数据中心进行信息传播和存储，而雅虎(Yahoo!谷歌则利用数据中心为其主要搜索引擎和存储功能提供动力。世界上几乎所有的大公司和政府机构都需要可靠的数据中心功能，以便通过智能计算、存储和搜索来操作和维护其主要业务功能。随着用户数量的逐年增长，数据中心容量继续以惊人的速度增长，以跟上需求和技术改进的步伐。随着这些增长需求的增加，数据中心系统架构也必须跟上步伐。

OCP是一个共享数据中心设计的组织，其系统架构定义基于开放计算项目开放机架版本2 (OCP ORV2)，其中背板电压名义上为12v，系统功率为3kw。另一方面，使用量的增加会导致功率需求的增加，使12v系统功率需求过高，从而损害整体系统性能。为了解决这个问题，在系统功率保持不变的情况下，将背板电压增加到48 V，从而最大限度地减少所需的电流和铜走线，并减少背板中的散热。这种变化提高了整体系统效率，减少了对复杂冷却系统的需求。这是新的开放机架版本3标准OCP ORV3的基础。

数据中心的可靠性是一个基本的操作需求。BBU模块的加入为系统提供了冗余功能。在停电或电力不足的情况下，系统需要时间来注意到情况，保存重要数据，并将操作转移到另一个数据中心服务器，很可能在不同的数据中心设施和位置。这必须以无缝的方式完成。在每个机架中使用备用电源系统来调节系统的保持功率。在最新的标准ORV3 BBU中，这种需求被定义为基于锂离子电池的电力存储和调节，每个BBU单元的15 kW功率输出等于系统运行4分钟。

本规范为Devices提供了完成和设计参考设计解决方案的指南，该解决方案包括用于专用于充放电操作的单电路的双向功率转换器，电池管理系统(BMS)设备，具有固件和GUI支持的板载设计系统主机微控制器，以及通过与OCP组织合作的硬件放大。

设计要求和硬件实现

作为OCP组织提供的规范(修订版1.3)，它将概述概念化和设计所需的要求，以满足BBU模块标准。BBU模块参考设计基于ORV3 48v方案，由带BMS的电池组、充放电电路和其他功能模块组成，如图2所示。

除了电路要求外，BBU模块在其使用寿命期间还需要具备以下几种主要的工作模式:

• 休眠模式:BBU模块在运输或库存中，或未连接在活动母线上时，可以将电池放电电流降至最低，从而延长存储时间。在休眠模式下，无法进行BBU监控或上报。当检测到母线电压大于46v时，BBU将唤醒并退出休眠模式;100毫秒和<200ms, PSKILL信号低。

• 待机模式:BBU模块充满电且处于正常状态，持续监测母线电压，为放电事件做好准备。BBU模块在使用寿命的大部分时间内都工作在该模式下。BBU模块的状态和参数可以通过通信总线在上游机架监控上显示。

• 放电模式:当母线电压降至48.5 V以下时;2ms, BBU模块放电模式激活。BBU模块接管母线电压的时间为2ms，备电时间为4min。

• 充电模式:在满足所有条件的情况下，BBU模块开启内部充电器电路为电池组充电。充电电流可根据电池容量之前的放电深度在0 ~ 5.5 A之间任意设置。它还允许上游系统通过通信总线覆盖充电电流。根据计算出的充电电流，应有一个充电超时控制方案。

• SOH (State of health check)模式:BBU模块通过对电池组进行强制放电，对电池组容量进行例行测试。BBU模块每90天进行一次SOH测试，以确定电池的EOL状态。

• 系统控制方式:BBU允许上游系统通过通信总线控制充放电操作。

除了BBU模块的运行要求外，OCP还规定了电池包容量、电池单体类型和电池包配置的标准。这些是:

• 电池包容量:BBU模块支持4年不超过4分钟的备用电源，可提供3kw的备用电源。

• 电池单体类型:建议采用18650锂离子电池，电池单体电压为3.5 V ~ 4.2 V，电池容量不小于1.5 AH，持续额定放电电流为30a。

• 电池组配置:BBU模块的电池组配置为11S6P(6个电池并联串，每串11个电池串联)。

BBU模块还需要具备电池充放电算法、保护、控制信号和通信接口等BMS。BMS还负责具有电池平衡电路，其中电池组上的电池电压保持在±1% (0.1 V)以内。

参考设计框图(参见图3)显示了选定的部件，并集成了为某些任务指定的各种元件，并构建了能够提供不间断电源、确定模块健康、故障和模块通信的电路。LT8228是一个双向同步控制器，安装在BBU模块内。该设备在线路电源中断的情况下提供电源转换，在非故障运行期间提供电池充电器。LT8551是一款4相同步升压dc - dc扩相器，与LT8228串联工作，可将每个BBU模块的放电功率容量增加到3 kW。除了电源转换ic外，BBU模块还集成了MAX32690，这是一款超低功耗Arm 微控制器，负责整个系统的运行。LTC2971是一个2通道电源系统管理器，用于电源路径的精确传感和故障检测，以及关键的电压下降功能。MAX31760是一款精密风扇转速控制器，用于在充放电操作期间执行系统冷却。EEPROM作为数据存储，允许用户恢复BBU模块在其服务时间内的任何可用数据。除了电源转换器和管家微控制器外，设计中还包括BMS IC。ADBMS6948是一款16通道多电池监测器，用于监测电池电压水平，而其固有的库仑计数器用于确定充电状态(SOC)和SOH水平，用于电池平衡和电池预期寿命计算。电池健康状态监测过程由MAX32625完成，MAX32625是一个超低功耗Arm微控制器。这两个微控制器都经过精心挑选，以降低总功耗，从而延长电池寿命在BBU休眠模式操作。

除了提供的部件外，该参考模块还生产和构建BBU模块(见图4a)和BBU机箱(见图5)，以容纳和演示参考设计，符合OCP ORV3 BBU模块和机箱机械规范。BBU机箱包含6个BBU模块槽位，单个BBU机箱可提供最大18kw的备用电源。

机械渲染和气流模拟是BBU模块参考设计的两个架构优势。首先，包括允许精确和吸引人的表示的可视化。机械结构分析可以及早发现设计问题和潜在的变化，这有助于整个设计过程。最后但并非最不重要的是，它可以减少对实际原型的需求，这可能是耗时和昂贵的。此外，气流模拟可以提供性能分析，帮助识别潜在的问题，并提高设计效率。它还通过帮助识别热点、优化热损失和提高整体系统可靠性来处理热管理。此外，为安全性和合规性规划电池组空间有助于降低风险。更多信息请参见图4b。

数据与结果

下面给出的测试结果包括稳态性能测量、功能性能波形、温度测量和操作转换。在BBU模块参考设计下，测试了以下配置:

性能数据

效率和功耗

BBU模块参考设计能够超越ORV3 BBU规格中指定的效率和功耗限制。放电和充电限制分别设置为97%和95%。在放电运行期间，半负荷(31.6 A)时的平均效率为98.5%，满载(63.2 A)时的平均效率为98%。在更大电感的影响下，较低的mosfet漏源导通电阻和精心选择的开关频率将提供高效率和减少纹波电流。此外，BBU模块在5a负载下充电时的平均效率高达97%。在使用相同电感值的情况下，以(400 kHz)开关频率运行，提高了效率，并将功率损耗降至最低。高效率和低功耗将延长电池寿命周期，并降低热冷却所需的风扇速度。参见图6。

另一方面，控制和同步mosfet的传导损耗会导致BBU放电和充电过程中的总体功率损耗。

输出电压下降

ORV3 BBU规范的另一个要求是在放电模式操作期间包含电压下降。电压下降是在驱动系统负载的同时，BBU背板电压的故意损失。使用LTC2971电路中的DAC, BBU背板电压将根据测量的系统负载电流实时改变。因此，从空载到满载，背板电压降保持在ORV3 BBU要求的±1%以内。参见图7。

切换波形

检查开关波形为性能评估、故障分析、效率优化、EMI降低和安全考虑提供了有价值的信息。帮助工程师及时发现和解决问题，优化系统性能，保证数据中心BBU模块的可靠高效运行。

在放电模式工作时，BBU模块的开关操作非常关键，将30v ~ 44v的电池组电压转换为48v的背板电压。这是通过使用同步功率MOSFET实现的，该MOSFET由LT8228脉宽调制(PWM)信号精确调节，并伴随着LT8551，它重复LT8228的动作。开关的频率和各相的电流分担导致电压升高，这对其工作很重要。主变换器及其多相扩展器满载时的开关波形如图8所示。在充电模式下，双向变换器单相工作，将49 V至53 V的背板电压降压至44 V，为电池组充电。它的工作原理是快速开关同步功率MOSFET和斜坡电感电流。双向变换器在5 a负载下的开关波形如图9所示。

热力性能

热性能和效率必须仔细平衡。虽然拥有一个能够承受高温并在不过热的情况下继续工作的BBU模块至关重要，但拥有一个能够以最佳效率运行的BBU模块也很重要，它可以将尽可能多的输入功率转换为输出功率。在图10中，在放电操作模式下，电路板的最差温度测量值仅为40°C至60°C，满载运行约4分钟。在充电模式下，同步mosfet的温度小于50°C。适当的空气冷却系统可以降低组件的排放温度，防止热失控。在电池组中适当设计电池间的间隙和适当的空气流动设计可提供足够的热冷却。参见图11。

经营过渡

BBU模块的过渡操作是在电源中断或变化情况下保证不间断供电的关键。该过程包括将电池组能量完美地传输到数据中心的背板，确保重要系统和设备保持4分钟的运行。BBU模块持续监测背板母线电压。当母线电压降至BBU模块激活电压48.5 V并持续2ms时，BBU模块背板电压必须上升，在2ms内为母线提供满电。母线电压在整个转换过程中不得低于46v。当检测到母线电压大于48.5 V并持续200ms以上时，BBU模块退出放电模式工作。参见图12。

总结

为了节约能源，数据中心正在向48v系统发展。48v服务器机架具有更低的电流、更小的铜损耗和更小的电源母线尺寸，在功耗和散热、尺寸和成本方面都比12v服务器机架更高效。前端无调节、高效率的级接电压调节器调至适当负载，最适合于数据中心服务器微处理器和存储器。这样的思想水平，以及OCP的最新创新，为更高效的配电和智能电池备用单元设计铺平了道路，以支持持续和完美的操作。

为BBU模块和机箱选择和实施合适的设备，可以简化整体设计，延长电池寿命周期，缩短工程开发周期，最大限度地降低工程和生产成本。此外，提供机械模拟缩短了原型步骤，提供了可用于改进热冷却和管理的数据，并提高了设计的保证。最后，提供适当且设计良好的固件算法和顺序，确保BBU平稳轻松地运行。

本系列的第2部分将讨论各种BBU模块的主要微控制器功能和操作，因为它与BBU内务管理的专门设计有关。此外，本文还将更深入地概述如何监控有用的信息，以及如何使用这些信息来构建和执行正确的工作流例程。