电源供应系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电源管理技术，且特别涉及一种适用于数据中心的电源供应系统及其控制方法。

背景技术

随着网络及云端服务的蓬勃发展，数据中心成为云端计算、网络服务业务以及营运上常用的解决方案。数据中心通常具备用以提供数据处理和数据存储功能的运算服务器机架、用于通信传输的电信和网络设备(如，交换机和路由器)以及供电设备。也因此，数据中心的供电设备常会配置备用电源系统，如电源供应单元(power supply unit；PSU)、不断电系统(UPS)或发电机，从而避免数据中心的停机。

当数据中心或具备多个运算服务器的供电设备设计完成后，此供电设备的效率曲线便已固定。然而，由于前述运算服务器机架受到使用的时间与负载不尽相同，数据中心难以维持在较佳的负载效率上，从而降低了电力的转换效率。因此，如何有效地对数据中心进行电源管理，从而在使数据中心不断电的情形下节省电源消耗，便是研究的方向之一。

发明内容

本发明提供一种电源供应系统及其控制方法，藉由电源管理而使控制电源供应系统的供电装置尽量位于具备较佳转换效率的负载点，以获得最佳的能源使用效率。

本发明的一实施例提供一种电源供应系统，用以供电给负载。电源供应系统包括供电装置以及备用电源装置。供电装置供电给负载。备用电源装置包括备用电池组、充电转换器、放电转换器以及处理器。充电转换器以及放电转换器耦接至备用电池组。处理器耦接至供电装置、备用电池组、充电转换器以及放电转换器。处理器依据供电装置的当前转换效率判断备用电源装置的状态为负载模式或供电模式。响应于供电模式，处理器控制备用电池组，以使备用电池组以及供电装置同时通过电源总线供电给负载。

本发明的一实施例提供一种电源供应系统的控制方法。电源供应系统用以供电给负载。控制方法包括：依据供电装置的当前转换效率判断备用电源装置的状态为负载模式或供电模式，其中电源供应系统包括供电装置以及备用电源装置；以及，响应于供电模式，控制备用电源装置的备用电池组，以使备用电池组以及供电装置同时供电给负载。

本发明的一实施例提供一种电源供应系统，其包括供电装置以及备用电源装置。供电装置通过电源总线用以供电。备用电源装置包括备用电池组、电源转换器以及处理器。电源转换器耦接至备用电池组以及电源总线。处理器依据供电装置的当前转换效率，控制备用电池组及电源转换器，以使备用电池组通过电源转换器进行充电模式或放电模式的切换。

基于上述，本发明实施例所述的电源供应系统及其控制方法通过备用电源装置的充电或放电来控制供电装置的负载，使得供电装置的负载尽量位于较佳转换效率的负载点上。也就是说，本发明实施例会判断备用电源装置的状态为负载模式或是供电模式。当备用电源装置的状态为负载模式时，便让备用电源装置进行充电以维持供电装置在较佳转换效率的负载点上。并且，当备用电源装置的状态为供电模式时，便让备用电源装置对运算服务器供电以分担供电装置的负载，维持供电装置在较佳转换效率的负载点上，从而获得最佳的能源使用效率。

附图说明

图1是依照本发明一实施例的数据中心的方块图。

图2是依照本发明一实施例的供电装置的效率曲线图。

图3是图1中处理器的详细电路方块图。

图4与图5分别是本发明一实施例的备用电源装置的负载模式以及供电模式对应供电装置以及电源总线的示意图。

图6说明符合本发明一实施例的多种供电装置的效率曲线图。

图7是依照本发明一实施例的电源供应系统的控制方法的流程图。

【符号说明】

100:数据中心

105:电源供应系统

107:运算服务器

110:供电装置

120:备用电源装置

122:备用电池组

123:电源转换器

124:充电转换器

126:放电转换器

128:处理器

305:反馈控制器

310:比较器

315:比较结果

320:切换电路

S320:切换信号

330:脉冲宽度调制(PWM)控制器

340:延迟电路

AC:交流电源

BBU:备用电池单元

PSU：电源供应单元

A1、A2、A3:箭头

PR1:转换效率点

R2、R3:转换效率区间

R2R、R3R:区间

Vimon:当前负载电力特性值

PVdc:预设负载电力特性值

S710～S740:电源供应系统的控制方法的各步骤

具体实施方式

图1是依照本发明一实施例的数据中心100的方块图。数据中心100主要包括电源供应系统105以及负载。本实施例所称的负载可以包括至少一个运算服务器107。换句话说，本实施例的电源供应系统105主要应用于数据中心100，以供电给数据中心100中的运算服务器107，但不以此为限。

电源供应系统105主要包括供电装置110以及备用电源装置120。供电装置110利用交流电源AC或其他供电方式，通过电源总线PBUS以供电给数据中心100的至少一个运算服务器107(如箭头A1所示)。本实施例的供电装置110还可具备有多个电源供应单元PSU(Power Supply Unit，PSU)，以作为供电装置110的备用使用。本实施例所述数据中心100的运算服务器107是由多个计算机或服务器相互连接而形成，用以作为数据中心100的主要负载。

备用电源装置120包括备用电池组122、电源转换器123以及处理器128。在一实施例的电源转换器123耦接至备用电池组122以及电源总线PBUS。电源转换器123包括充电转换器124以及放电转换器126。充电转换器124耦接至备用电池组122及电源总线PBUS，且充电转换器124通过电源总线PBUS间接地耦接至供电装置110。放电转换器126耦接至备用电池组122及电源总线PBUS，且放电转换器126通过电源总线PBUS间接地耦接至运算服务器107。充电转换器124以及放电转换器126分别耦接至备用电池组122与电源总线PBUS之间。

本实施例的充电转换器124以及放电转换器126是由具备恒流(CC)/恒压(CV)模式的直流转直流转换器(DC/DC converter)来实现。详细来说，充电转换器124用以从电源总线PBUS将电力提供给备用电池组122(如箭头A2所示)，使备用电池组122充电。放电转换器126用以将备用电池组122中存储的电力通过电源总线PBUS提供给运算服务器107(如箭头A3所示)，使备用电池组122放电。因此，本实施例的备用电源装置120既可作为数据中心100的负载，也可作为数据中心100的电源。备用电源装置120通过使用具备CC/CV模式的直流转直流转换器以控制电源总线PBUS中的电流使其可控制。

本实施例的备用电池组122可具备多个备用电池单元BBU(BackupBattery Unit，BBU)。处理器128可控制备用电池组122中的这些备用电池单元BBU来选择性地进行充电或放电。例如，处理器128可选择性地对备用电池组122中的这些备用电池单元BBU中的一个或N个进行充电，而不需要同时对这些备用电池单元BBU进行充电，进而通过调整进行充电的备用电池单元BBU的数量来对应地提升供电装置的负载。处理器128可选择性地使这些备用电池单元BBU中的一个或N个进行放电而供电给运算服务器107，不需要同时放电这些备用电池单元BBU，进而对应地降低供电装置的负载。并且，处理器128可优先地对已充饱电的备用电池单元BBU放电，从而释放电力。

处理器128耦接至供电装置110、备用电池组122、充电转换器124以及放电转换器126。处理器依据供电装置110的当前转换效率判断备用电源装置120的状态为负载模式或是供电模式。从符合本发明实施例的另一角度来说，处理器128依据供电装置110的当前转换效率控制备用电池组122及电源转换器123，以使备用电池组122通过电源转换器123进行充电模式或放电模式的切换。如果处理器128判断备用电源装置120的状态为供电模式的话(亦即，处理器128使备用电池组122通过电源转换器123进行放电模式的切换)，便会控制备用电池组122通过放电转换器126供电至电源总线PBUS，以使备用电池组122以及供电装置110同时供电给数据中心100的运算服务器107。另一方面，处理器128如果判断备用电源装置120的状态为负载模式的话(亦即，处理器128使备用电池组122通过电源转换器123进行充电模式的切换)，控制备用电池组122以通过电源总线PBUS进行充电，以使供电装置110在供电给数据中心100的运算服务器107的同时对备用电池组122充电。

在此说明如何依据供电装置110的当前转换效率判断备用电源装置120的状态为负载模式(即，使备用电池组122进行充电模式的切换)或是供电模式(即，使备用电池组122进行放电模式的切换)。前述「使备用电池组122进行充电模式的切换」也可以称为是，将备用电池组122切换为充电模式并进行此充电模式；前述「使备用电池组122进行放电模式的切换」也可以称为是，将备用电池组122切换为放电模式并进行此放电模式。图2是依照本发明一实施例的供电装置110的效率曲线图。例如，本实施例经设计以使供电装置110提供1600瓦特(Watt)的电力，其效率曲线图由多个转换效率点组成，如图2所示。图2的横轴呈现供电装置110的负载(以百分比(％)呈现)，纵轴呈现供电装置110对于电力的转换效率(以百分比(％)呈现)。图2中，供电装置110的转换效率点PR1是供电装置110的最佳转换效率点(约略为94％的转换效率)，此时最佳转换效率点PR1对应40％的供电装置110负载。接近于转换效率点PR1的区间R2R与R3R则是由近似于最佳转换效率点94％的其他转换效率点所组成的线段。

供电装置110的转换效率区间R2则为供电装置110的轻载区间(约略为0％到40％之间的供电装置110负载)，此时电力的转换效率十分不佳，从5％负载对应到约略82％的转换效率提升到40％负载对应到约略94％的转换效率。在此时，若希望供电装置110进入最佳转换效率点PR1，则可将备用电源装置120的状态设定为负载模式，亦即，使备用电池组122切换为充电模式，以使供电装置110增加其负载以使转换效率趋近于最佳转换效率点PR1。因此，供电装置110的转换效率区间R2亦为备用电源装置120的负载模式。在符合本发明部分实施例中，由于区间R2R以及R3R中的转换效率点亦近似于最佳转换效率点PR1，因此应用本实施例者也可依据将备用电源装置120的状态设定为负载模式(使备用电池组122进行充电模式的切换)，以使供电装置110的转换效率进入转换效率点PR1所对应的区间R2R以及R3R，从而依据转换效率点PR1所对应的转换效率区间R2R以及R3R来判断供电装置110的当前转换效率。

供电装置110的转换效率区间R3则为供电装置110的重载区间(约略为40％到100％之间的负载)，此时电力的转换效率从40％负载对应到94％的转换效率逐渐降低以接近100％负载对应到90％的转换效率。在此时，若希望供电装置110进入最佳转换效率点PR1，则可将备用电源装置120的状态设定为供电模式，亦即，使备用电池组122切换为放电模式，以降低供电装置110的负载。因此，供电装置110的转换效率区间R3亦为备用电源装置120的供电模式。在符合本发明部分实施例中，由于区间R2R以及R3R中的转换效率点亦近似于最佳转换效率点PR1，因此应用本实施例者也可依据将备用电源装置120的状态设定为供电模式(使备用电池组122进行放电模式的切换)，以使供电装置110的转换效率进入区间R2R以及R3R。

换句话说，当图1中供电装置110设计完成后，图2中供电装置110的效率曲线便已固定。因此，前述效率曲线可由效率测量仪测量效率在各个负载点，进而记录图2的各个转换效率点以得到效率曲线，并可以由效率曲线得知最佳转换效率点PR1、区间R2R与R3R。处理器128获得供电装置110的转换效率点PR1，并依据转换效率点PR1判断供电装置110的当前转换效率，进而判断供电装置110的状态为负载模式或是供电模式。应用本实施例者也可依据前述区间R2R与R3R来判断供电装置110的当前转换效率，进而判断供电装置110的状态为负载模式或是供电模式。换句话说，处理器128获得供电装置110的转换效率点PR1，依据转换效率点PR1判断供电装置110的当前转换效率，进而使备用电池组122通过电源转换器123进行充电模式或放电模式的切换。应用本实施例者也可依据前述区间R2R与R3R来判断供电装置110的当前转换效率，进而使备用电池组122通过电源转换器123进行充电模式或放电模式的切换。

详细来说，图1处理器128通过与运算服务器107通信以从运算服务器107获得前述效率曲线，并获得供电装置110的最佳转换效率点PR1而设定一预设负载电力特性值PVdc。预设负载电力特性值PVdc的性质可以是预设的电压值、电流值或是电阻值，应用本实施例者可依其需求或是处理器128中硬件电路的设定来调整预设负载电力特性值的性质为何。本实施例的预设负载电力特性值PVdc为电压值。

图1处理器128还从供电装置110获得当前负载电力特性值。在本实施例中，供电装置110提供对应其负载情形的当前电流值Imon，图1处理器128藉由当前电流值Imon获得供电装置110的当前负载电力特性值Vimon。本实施例的当前负载电力特性值Vimon为电压值，藉以与预设负载电力特性值PVdc相互比较。图1处理器128比对预设负载电力特性值PVdc以及当前负载电力特性值Vimon以判断供电装置110的负载情况，进而判断备用电源装置120的状态为负载模式或是供电模式。换句话说，图1处理器128比对预设负载电力特性值PVdc以及当前负载电力特性值Vimon以判断供电装置110的负载情况，以使备用电池组122通过电源转换器123进行充电模式或放电模式的切换。

在此假设，当供电装置110为100％负载时，当前负载电力特性值Vimon为8V，并能以线性方式呈现，如：20％负载则负载电力特性值Vimon为1.6V。因此，若希望以供电装置110为50％负载作为备用电源装置120中负载模式或是供电模式的判断依据时，便将预设负载电力特性值PVdc设定为4V。

图3是图1中处理器128的详细电路方块图。处理器128主要包括比较器310、切换电路320以及脉冲宽度调制(PWM)控制器330。处理器128还包括延迟电路340。比较器310以及切换电路320位于处理器128的反馈控制器305中。比较器310的第一输入端用以接收预设负载电力特性值PVdc。比较器310的第二输入端耦接至供电装置110，用以接收供电装置110的当前负载电力特性值Vimon。比较器310的输出端则通过比较当前负载电力特性值Vimon以及预设负载电力特性值PVdc的电压值大小而产生比较结果315。切换电路320的输入端耦接至比较器310，用以接收比较器310产生的比较结果315。切换电路320依据比较结果315产生切换信号S320。

PWM控制器330耦接至切换电路320、充电转换器124以及放电转换器126。PWM控制器330依据切换信号S320产生至少一个脉冲信号至充电转换器124以及放电转换器126，从而选择性地启用充电转换器124以及放电转换器126的其中之一。当充电转换器124工作(开启)时，放电转换器126不工作(关闭)；相反地，当充电转换器124不工作(关闭)时，放电转换器126工作(开启)。此外，应用本实施例者可设计以使PWM控制器330通过延迟电路340间接地耦接至充电转换器124以及放电转换器126，可依PWM控制器330、充电转换器124以及放电转换器126之间的信号传递情形来增加延迟电路340，进而调配电源总线PBUS上的电流供给反应速度，使得信号能够顺利传输。

图4与图5分别是本发明一实施例的备用电源装置120的负载模式(即，备用电池组122的充电模式)以及供电模式(即，备用电池组122的放电模式)对应供电装置110以及电源总线PBUS的示意图。举例来说，请同时参照图3与图4，已知最高效率点PR1在负载40％，负载40％线性对应负载电力特性值为3.2V，可以设定预设负载电力特性值PVdc为3.2V，但不以此为限，若图1备用电源装置120的状态为供电模式时(如，供电装置110为70％负载)，图1处理器128所获得的供电装置110的当前负载电力特性值Vimon应会大于4V(在此假定线性呈现为5.6V)，处理器128中比较器310则产生对应于供电模式的比较结果315，且切换电路320亦产生对应于供电模式的比较信号S320。响应于前述供电模式，处理器128的PWM控制器330控制放电转换器126并停用充电转换器124，如图1所示，以使备用电池组122供电至电源总线PBUS(如箭头A3所示)。图1处理器128使备用电池组122通过电源转换器123进行放电模式的切换。也就是说，此时的备用电池组122透电源总线PBUS供电，并经过放电转换器126转换备用电池组122的电源。由于电源总线PBUS中同时具有供电装置110以及备用电池组122所提供的电力给负载(包括运算服务器107)，如此可使供电装置110的负载从70％降低至约40％负载，从而使供电装置110的负载位于图2最佳转换效率点PR1中。

请同时参照图3与图5，举例来说，若图1备用电源装置120的状态为负载模式时(如，供电装置110为10％负载)，图1处理器128所获得的供电装置110的当前负载电力特性值Vimon应会小于4V(在此设定线性呈现为0.8V)，但不以此为限，图1处理器128中比较器310则产生对应于负载模式的比较结果315，且切换电路320亦产生对应于负载模式的比较信号S320。响应于所述负载模式，处理器128控制充电转换器124并停用放电转换器126，如图1所示，充电转换器124转换供电装置110的电源，备用电池组122再通过电源总线PBUS接收充电转换器124转换后的电源以进行充电(如箭头A2所示)。图1处理器128使备用电池组122通过电源转换器123进行充电模式的切换。由于备用电池组122通过供电装置110提供给电源总线PBUS的一部分电力进行充电，而供电装置110提供给电源总线PBUS的另一部分电力则用于供电给负载(包括运算服务器107)，增加了供电装置110的电力消耗，因此使供电装置110的负载从10％提升至约40％负载，从而使供电装置110的负载位于图2最佳转换效率点PR1中。

特别说明的是，响应于负载模式，图1备用电源装置120中备用电池组122已为充饱电状态，处理器128不通过电源总线PBUS对备用电池组122进行充电，以避免备用电池组122中的各个备用电池单元BBU过充。此外，响应于供电模式，在图1，备用电装置120中的备用电池组122已为低电平电量状态(即，低电量状态)时，处理器128不通过备用电池组122对电源总线PBUS进行放电，以避免备用电池组122因低电量而不足以提供适当的电源能量至运算服务器107。

图6说明符合本发明一实施例的多种供电装置110的效率曲线图。近似于图2，举例来说，图6的(A)部分是以约略为40％负载作为预设负载电力特性值并据以判断备用电源装置的状态为负载模式或是供电模式。另一方面，图6(B)部分则是以约略为65％负载作为预设负载电力特性值并据以判断备用电源装置的状态为负载模式或是供电模式，但不以此为限。因此，应用本实施例者可依其需求调整转换效率点PR1(如，图6的(A)部分的40％负载以及图6的(A)部分的65％负载)，转换效率点PR1不一定是以供电装置110而言的最佳转换效率区间作为标准依据。

图7是依照本发明一实施例的电源供应系统的控制方法的流程图。前述控制方法应用于图1的数据中心100，数据中心100包括电源供应系统105，且电源供应系统105包括供电装置110以及备用电源装置120。电源供应系统105用以供电给负载，负载可以包括至少一个运算服务器107。在步骤S710中，图1处理器128获得供电装置110的当前转换效率。在步骤S720中，图1处理器128依据供电装置110的当前转换效率判断备用电源装置120的状态为负载模式或是供电模式。在步骤S730中，响应于供电模式，图1处理器128控制备用电源装置120的备用电池组122，以使备用电源装置120以及供电装置110同时供电给数据中心100的运算服务器107。在步骤S740中，响应于负载模式，图1处理器128控制备用电源装置120进行充电，使供电装置110在供电给数据中心100的运算服务器107的同时对备用电源装置120充电。图7中控制方法的详细流程与细节请参照前述各实施例。

综上所述，本发明实施例所述的电源供应系统及其控制方法通过备用电源装置的充电或放电来控制供电装置的负载，使得供电装置的负载尽量位于较佳转换效率的负载。也就是说，本发明实施例会判断备用电源装置的状态为负载模式或是供电模式。当备用电源装的状态为负载模式时，便让备用电源装置进行充电以维持供电装置在较佳转换效率的负载。并且，当备用电源装置的状态为供电模式时，便让备用电源装置对运算服务器供电以分担供电装置的负载，维持供电装置在较佳转换效率的负载，从而获得最佳的能源使用效率。