作者：侯福平 主编
出版社：人民邮电出版社
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通信用240V直流供电系统试读：
前言
通信用240V直流供电系统在提高供电可用性的前提下，实现与现有220V交流用电设备的兼容性供电，是一种既安全可靠，又经济节能且利于推广的高可用性的供电技术，能够满足通信网络和数据机房、数据中心的“通信级”供电保障要求。与传统UPS供电方式相比，通信用 240V 直流供电系统在保障供电可用性的前提下，提高了运行效率，减少了工程建设投资，经济效益显著，节能效果明显。
本书系统、全面地介绍了通信用 240V 直流供电系统的应用原理、系统组成、技术要求及运行维护等关键技术。全书共13章。其中，第1章概要地介绍了通信网络演变和交流 UPS 供电以及提高直流供电系统可用性的措施；第 2 章介绍了交流用电设备使用240V直流供电的原理；第3章介绍了国内外HVDC技术研究和发展情况；第4章详细分析了通信用240V直流供电系统的可用性能；第5章介绍了通信用240V直流供电系统的总体技术要求；第6章介绍了通信用240V直流供电系统中主要设备的技术要求；第7章介绍了通信用240V直流供电系统的绝缘监察功能；第8章介绍了通信用240V直流供电系统的规划与设计；第9章介绍了通信用240V直流供电系统的工程调测和测试验收；第10章介绍了通信用240V直流供电系统的维护技术要求；第11章进行了通信用240V直流供电系统的对比分析和效益分析；第12章介绍了通信用240V直流供电系统的操作和应用技巧；第13章介绍了目前通信用240V直流供电系统的主要产品。附录给出了相关标准清单，摘录了相关标准的部分内容。
在编写本书的过程中，中国电信集团公司、中国通信标准化协会、中国通信学会通信电源专业委员会、工信部电信研究院中讯邮电咨询设计院有限公司以及业界同仁给予了大力支持。周宝信、杨世忠、熊兰英等领导对全书进行了审阅并提出了宝贵的建议；朱雄世、刘希禹、赵长煦、黄艺云等专家提供了大量的试验数据和实际应用经验；艾默生网络能源有限公司、中达电通股份有限公司、杭州中恒电气股份有限公司、广州珠江电信设备制造有限公司、深圳奥特迅电力设备股份有限公司、北京动力源股份有限公司以及深圳柏特瑞公司等单位提供了相关产品的大量技术资料。谨此表示衷心感谢。同时还要感谢人民邮电出版社的大力支持。
限于作者的理论和实际经验，书中难免存在一些不足之处或者错误，垦请广大读者和相关专家批评指正。作者 第1章概述第1节 通信网络中交流用电设备使用情况和发展趋势1.1 通信网络演变和交流UPS供电系统
通信网络是人类信息交流的一种重要载体。通信网络主要依靠电提供能源，这也就是通常所说的“通信电源是通信网络的心脏”、“没有电就没有通信”的意义所在。通信网络需要“通信级”的不间断供电保障，以确保通信系统设备的正常运行和通信网络的畅通。
传统公共电话交换网络（Public Switched Telephone Network，PSTN）是以程控交换、模拟传输为中心的模拟话音通信网络，通信电源主要承担着为采用−48V 直流供电的程控交换机系统、PCM传输系统提供供电保障的责任。
随着通信网络的发展，用通信直流电源供电的通信设备种类越来越多，从传统的程控交换机到第三代移动通信设备，多数都采用通信直流电源作为基础电源。虽然有很多数据通信设备采用UPS作为基础电源，但UPS供电系统从原理上而言其供电安全性低于直流电源，因此，采用直流供电的通信设备种类仍然保持不断增多的趋势。另外，各国对通信网络设备的投资规模不断扩大，相应带动了通信直流电源的数量稳步增长。
我国通信行业标准YD/T 1051—2010《通信局（站）电源系统总技术要求》给出了这种传统的集中供电方式的通信电源系统的组成和结构，如图1-1所示。图1-1 传统通信网络集中供电方式电源系统组成示意
随着通信由话音为主的通信时代转为以数据通信为主的时代，人们对通信系统的功能提出了越来越高的要求。整个通信网络已经朝着多元化和开放化的方向发展。现代通信网络可以划分成5个层面，如图1-2所示。图1-2 现代通信网络的5个层面
相应地，对通信直流电源设备而言，其各方面的性能要求也越来越高，否则无法满足通信网络的高性能要求。同时，人们对于环境保护意识的不断增强以及能源价格的不断上涨，对通信直流电源产品在环境保护和节能方面提出了更高的要求。
随着通信网络的逐步IP化，电信网的结构与互联网逐渐趋同。新一代电信通信网络系统设备已经实现了信息技术（Information Technology，IT）与计算机技术（Computer technology，CT）的有机结合，与以往的通信网络系统相比，有非常不同的电源保障需求特点，特别是在核心层和业务控制层的供电模式方面。
随着计算机、服务器、刀片式服务器、路由器、磁盘阵列存储器等IT类设备大量进入通信网络，通信机房内使用 220V 交流供电的设备越来越多。原来主用通信电源−48V直流供电系统已经不能完全满足通信网络设备供电发展的需求，主要体现在以下两个方面：
不能给使用220V的IT类设备供电；
功率难以满足IT类设备的高功率密度需求。
由此在通信网络中引入了大量的交流UPS供电系统。
可以预料，随着通信网络的不断演变，使用交流供电的通信设备不但不可能减少，而且会越来越多，越来越重要。1.2 交流UPS供电系统的运行现状
为了确保可靠供电，传统的通信网络系统设备都采用直流电源供电，而由交流电源供电的IT类设备通常都采用交流不间断电源供电。
交流UPS供电系统的基本结构形式如图1-3所示。它由AC/DC转换器、DC/AC逆变器、各级配电柜、各级滤波器、STS转换开关（双路供电系统用）、蓄电池组、隔离变压器等设备和环节组成。图1-3 6脉冲交流UPS供电系统的基本结构
通信网络设备使用交流UPS供电已经很普遍，由单台计算机设备发展到业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备、业务支撑平台乃至整个通信网络。供电对象主要是计算机终端、服务器、路由器、交换机、显示器、磁盘存储阵列和小型机等。供电的方式也由小型交流UPS分散供电演变到大型交流UPS集中供电，采用n+1并联冗余热备份系统乃至双总线交流系统等供电方式保证系统的可靠性。
从交流UPS供电系统的基本结构和实际应用情况可以看出，采用交流UPS在通信网络中作为不间断的供电保障，存在着可靠性低、运行效率低、成本高、谐波污染大和适应性差等问题。第2节 通信电源系统的可用性指标
YD/T 1051—2010《通信局（站）电源系统总技术要求》对通信电源系统的不可用度有明确的规定：−7
一类局站电源系统的不可用度应不大于5×10 。即平均20年时间内，每个电源系统的故障累计时间应不大于5min。−6
二类局站电源系统的不可用度应不大于1×10 。即平均20年时间内，每个电源系统的故障累计时间应不大于10min。−6
三类局站电源系统的不可用度应不大于5×10 。即平均20年时间内，每个电源系统的故障累计时间应不大于50min。第3节 交流UPS供电系统用于通信设备保障供电存在的问题
在一般的用电场合或者是其他行业，与直接用市电供电方式比较，使用UPS系统供电的可靠性可以认为是非常高的；而在通信网络上，由于已经用−48V 直流电源作为基础电源，因此与直流供电系统比较，UPS供电系统仍存在一些关键技术瓶颈。3.1 交流UPS供电系统存在的问题
UPS系统与直流供电系统比较，存在以下缺点：
增加了逆变器设备，使系统的效率降低，能耗增加。
UPS受到的干扰多。当UPS处于旁路运行时，交流市电电源中存在的高频开关操作电压、瞬态过电压变化、雷电等过电压和谐波等都有可能对通信网络造成直接干扰。即使在UPS正常运行时，由逆变器输出交流电源接到下一级高频开关整流器等电源设备而产生的谐波，有可能干扰数据通信设备，如果干扰过大和过频地出现，轻者会导致互联网传输速率下降、网络服务器的数据“丢包率”增大等隐形故障，导致互联网设备被迫进入“降额”使用状态，严重时还会导致网络瘫痪。
三次谐波在中性线中不会被抵消而产生过载发热，最坏的情况下会发生火灾，还会经常发生断路器跳闸或熔断器熔断现象。
为了达到高的可靠性要求，必须采用UPS冗余供电系统、双总线输出的配线方式，有时还需要在三相交流馈电线的中性线中加装隔离变压器设备。这些措施将使供电系统非常复杂。
当供电给负载端的线路上发生短路故障时，对于直流供电系统来说，直流回路由于有蓄电池并联工作，蓄电池能吸收短路瞬变电流，或者可以利用电缆配电系统使邻近馈电线路不受影响，但在交流UPS系统中，负载接到逆变器上，邻近馈电线路会受到瞬变电压的影响。
因此，在通信网络中采用交流UPS供电系统，主要存在以下几方面的问题。（1）系统可靠性
虽然UPS技术发展很快，特别是UPS设备本身随着电子技术的发展和电子芯片集成度的提高，通过冗余备份技术，其主机的可靠性已经可以做得很好，生产厂商已经声称UPS系统设备的可靠性可以达到5个“9”甚至7个“9”，但是UPS技术本身的性能特点，决定了UPS系统的可靠性并不高。这是因为从根本来说，UPS系统的输入和输出都是交流电，而交流电本身的频率、相位及电压特性决定了它不能通过简单的并联方式来实现冗余和备份，也就必然有许多地方成为供电的单点故障点，一旦出现故障，无法用备份电源或备份回路及时保证供电和通信网络不中断。从整体来看，在通信网络这个特定环境中使用UPS，其供电可靠性仍远逊于直流供电系统。（2）系统后备时间
由于UPS的工作电压比通信网络使用的直流基础电压高，因此UPS可以输出更大的供电功率，但就后备时间而言并没有优势。UPS 蓄电池组的工作电压高达 384V，所需串联蓄电池的数量是直流系统的8倍。如果使用类似IGBT整流的高电压UPS设备，所需串联的蓄电池数更多。而目前的蓄电池生产技术，一般常用的单体6V或12V的通信用蓄电池只能做到100Ah～200Ah，延长后备时间只能通过增加并联蓄电池组来实现，而受蓄电池单体电压离散性等因素限制，蓄电池组并联的数量一般不超过4组，即使采用单体2V的通信用蓄电池，可以做到单体3000Ah，但需要串联的蓄电池会更多。所以，UPS系统的后备时间远低于直流系统，一般只能为15～60min。（3）设备可维护性
目前的UPS系统设备主要以整机式为主，一旦出现故障，往往需要进行整体维护。对于UPS本身必须进行的一些例行维护和零部件更换工作（例如改变设置、改变跳线、更换滤波电容、更换开关甚至维护蓄电池等），以及对设备进行并机、扩容等工作，往往需要设备停电甚至系统停电才能进行，无法在线不断电完成。这是设备可维护性差的一个方面。
另外，随着UPS技术的发展，UPS的自动控制和智能化程度越来越高。许多检测功能和日常维护都是由UPS系统本身自动实现和完成的，维护人员只能进行一些面板上的操作和简单的清洁工作。这样虽然大大减轻了劳动强度，但另一方面，维护人员对技术和设备的了解就无法深入，一旦出现系统自动控制无法解决的故障而需要人工干预时往往就束手无策。还有一些设备的厂商对关键技术和资料进行封锁，一些深层次的数据采集和维护工作往往需要外接电脑和专用的加密软件来进行或者要通过主板上的地址跳线来实现，强迫用户必须依赖厂商来解决问题，而厂商的售后服务往往不尽人意，出现故障后容易造成延误。（4）客户的期望值与实际技术水平的差距
一般人对UPS的理解往往停留在字面上，他们的期望值是很高的。他们认为所谓的UPS就是永不间断的电源，对UPS系统出现断电或停电维修是不可理解的。
传统的通信网络还是以话音通信为主的，客户对通信网络的质量并不太敏感，例如通话断了再重拨一次就可以了。当今的通信网络已经逐步演变为一个以数据通信为主的数据通信网络，网络传送的数据信息越来越多，对通信网络质量的要求越来越高，客户对供电质量的感知也越来越直接。哪怕有一点波动，导致正在传送的数据位发生了数值变化（例如由“1”变成为“0”），就会铸成大错，不可补救，更何况是停电或者中断。数据网络设备又往往是由UPS供电的，因此通信网络对UPS供电电源的要求非常高，对安全供电的要求也是非常高的。
当前，通信网络上采用UPS系统进行供电保障以及UPS系统本身的运行维护已经成为通信电源专业最大的难点问题。3.2 交流UPS系统技术演进
从当前用户关注的焦点和交流UPS厂商技术改进的重点来看，要解决的问题和技术措施归纳起来有以下3点。（1）提高系统可用性
—提高设备可靠性；
—设备降容使用，延长使用寿命；
—增大成本，对设备采用冗余配置，使其有容错功能；
—配置模块化交流UPS，有冗余功能，大幅度降低故障修复时间；
—提高设备智能监测和管理功能，便于维护，可把潜在的故障隐患消除在故障发生之前；
—采用集成化系统设计，解决系统中各类设备阻抗和连接方式的匹配问题，提高系统可靠性和集中管理问题，并最大限度地减少安装和维护过程中的人为错误。（2）抑制系统中谐波电流的产生和治理
—加大零线规格和前端设备（变压器、油机、配电开关、转换开关等）的容量，以降低谐波电流的影响；
—输入改为12脉冲整流+11次无源滤波器，PF=0.95，THD≤10%；
—6脉冲整流前加有源滤波器，PF=0.99，THD≤5%；
—输入改为PFC高频整流，PF=0.99，THD≤5%。（3）提高系统的适应性
—采用模块化设计，使局部系统有扩容功能，减少系统运行初期的设备购置成本和运行成本；
—采用标准化设计，简化系统设计和建造流程，为系统快速安装和变更、移动、扩容提供可能性。3.3 交流UPS技术改进后仍存在的问题
交流UPS供电系统结构随着IT技术的进步和对UPS供电系统要求的不断提高而改进，传统的系统不断复杂化，可靠性难以有效提高。例如，电池组放置在交流UPS主机设备中逆变器的输入端，并不能直接为负载提供可靠供电，市电掉电时，电池组要通过交流UPS主机设备中最不可靠的环节DC/AC逆变器向负载供电。第4节 通信网络设备的直流供电系统与交流供电系统
从原理上分析，直流供电系统与交流UPS供电系统在供电可靠性方面是有很大区别的，详见表1-1。表1-1 直流供电系统与交流UPS供电系统的比较
由此可以看到，直流供电的可用性远高于交流市电甚至交流UPS供电。
YD/T 1051—2010《通信局（站）电源系统总技术要求》中明确规定，我国的核心通信网络应采用−48V直流供电。新建局（站）应采用−48V直流基础电源。原有局（站）通信设备使用的±24V直流基础电源仍可继续使用，不再扩容，直到这些通信设备停用为止。随着电源设备技术的发展和产品可靠性的不断提高，在条件具备时，IDC机房的供电可以采用高压直流供电方式。第5节 通信用直流供电系统的主要特点
通信用直流供电系统主要有以下4个方面的特点。（1）供电可靠性高
首先，直流供电的性质决定了它的可靠性远高于交流供电；其次，通信用直流供电电源中的蓄电池是直接挂在输出母排上的，相当于两个不同性质的电力源并在一起为通信设备供电，通过并联冗余的方式有效地提高了供电的可靠性；另外，通信用直流供电电源均采用多整流模块冗余备份并联工作的方式，当某一个模块发生故障时，不会影响整体供电，可以有效地缩短故障时的在线维修时间，提高系统的可维修性。
通过系统可用性的理论分析可以证明，单套直流电源采用完全独立的两个物理路由给通信设备供电，其可用性指标可以高达10个“9”，比由传统交流输出UPS组成的最高可用级别的“2N”系统的可用性要高出3个“9”。（2）供电质量稳
供电质量稳定包含有3个含义：一是对电源本身的供电质量而言，电源电压在市电和设备负载变化时，供电电压应当稳定，不应产生过大的波动；二是从工程设计角度而言，电源电压不应超过允许的变化范围，因为如果超过通信设备正常工作允许的上下限值，将可能损坏通信设备的电子元器件；三是直流电源电压中的脉动成分必须低于允许值，以免影响通信质量。
直流电源系统主要是将市电的交流通过整流器而变换成直流，整流器的输入和输出之间有完善的隔离措施，可以有效地减少电流的脉动成分。此外，蓄电池直接挂在输出母排，相当于并联了一个大电容，可以有效地过滤电压波动，使得峰—峰杂音、宽频杂音和离散杂音等指标符合有关规定。
蓄电池本身就是一种直流的化学电源，在市电停电时蓄电池放电，只要容量和工作电流合适，其供电质量就远高于电子电源。（3）供电经济性好
通信供电系统的经济性是指通信电源系统在满足供电可靠性和电能质量要求的前提下，基建投资尽可能少，年运行费用尽可能低。随着通信设备的容量日益增加，电源系统的负荷不断增大，为了节省电能，必须采用高效率的电源设备，这样才可以节约能量，提高能源利用率和经济效益。
直流供电系统仅有 AC/DC 转换（整流），与交流 UPS 供电系统比较，减少了一次DC/AC 转换（逆变），有效地减少了电能转换的损耗，提高了转换效率。同时，随着高频脉宽调制技术的发展，效率高于95%的高效整流模块已经被广泛投入实际应用。（4）供电灵活性强
随着技术的飞速发展，采用体积小、重量轻的小型化、集成化的功率元器件和整流器的开关电源设备已经成为主流。加上直流电源系统整流器和监控单元采用的模块化结构，完全具备了发展和扩容的灵活性，使得直流供电电源系统在通信领域的应用越来越广泛。第6节 提高可用性的技术应用6.1 提高直流供电系统可用性的措施
系统的可用性主要取决于系统本身的可靠性和可维修性，因此提高直流供电系统的可用性是关键。主要有以下措施：
通过电子电路结构及元器件的选择、生产工艺和质量控制等措施，保证系统中各设备本身的可靠性；
通过模块化的系统结构，实现增加系统内的关键设备的冗余配置和可热插拔维修，从而提高系统的可维修性；
通过系统级的并联冗余或独立双母线配电路由供电，从系统配置结构上有效地实现可靠性和可维修性的整体提高。6.2 单系统、双母线供电方式
单系统、双母线供电的原理如图1-4所示。图1-4 单系统、双母线供电原理
在单系统、双母线供电方式下，主要是针对直流输出配电的故障建立的冗余保障。虽然没有增加整流器及蓄电池的并联冗余，对于整流器设备及蓄电池方面出现故障时没有增加保护，但由于直流供电系统中蓄电池组是直接挂在输出母排上的，相当于是两个独立的电源系统的并联冗余输出，其可靠性能已经非常高，完全可以满足供电保障的要求。6.3 双系统、双母线供电技术
双系统、双母线供电的原理如图1-5所示。图1-5 双系统、双母线供电原理
在双系统、双母线供电方式下，似乎可以对整个系统包括整流器、蓄电池、直流配电等方面出现的问题均能增加保护，但从实际情况来看，整流器设备和蓄电池同时出现故障的概率是极低的。对于正极接地的-48V直流电源系统，采用直流供电的通信设备内两路直流输入时为正极共地连接，且内部只有 DC/DC的电路转换而没有隔离措施，两路输入在通信设备内部可能是连通的，当两个直流系统电压不相等时，可能导致两个直流系统的输出电流不均衡，容易产生某一回路过载而烧断熔丝的故障，需要谨慎使用。相比较而言，选择单系统、双母线供电方式能很好地满足供电保障要求。
在电源建设、整治工作中，直流电源系统的独立双回路供电保障改造一般都采用单系统、双母线供电方式。思考题
1.在通信网络中，采用交流220V供电的系统设备有什么特点？
2.对通信网络系统的供电保障，最根本的要求是什么？
3.什么是UPS？UPS是如何工作的？
4.通信网络系统中为什么要用交流UPS供电？
5.通信网络中采用交流UPS供电存在什么问题？
6.通信网络中采用交流UPS供电可用性低的根本原因是什么？
7.如何评价通信网络的供电可用性？
8.在通信网络系统中，交流供电和直流供电有什么区别？
9.为什么说在通信网络系统中采用240V直流供电替代交流UPS供电是一种革命性的改变？参考资料
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现有IT设备（计算机及其外设）的电源普遍采用高频开关电源技术，在市电的入口处都有一个整流桥，交流电通过整流桥后变成直流电。
目前常见IT设备的电源基本上遵从ATX（Advanced Technology Extended）电源标准或SSI（Server System Infrastructure）服务器电源规范。ATX标准使用较普遍，适用于桌面PC、工作站、低端服务器等IT设备；SSI规范是新制定的，是专为服务器定制的，适用于高、中、低端服务器。1.1 ATX电源标准
ATX结构规范是Intel公司1995年提出的一种PC主板标准，是根据主板上CPU、RAM、长短卡的位置而设计的，其中将 CPU、外接槽、RAM、电源插头的位置固定，同时配合ATX机箱和ATX电源就能在理论上解决硬件散热的问题，为安装、扩展硬件提供方便。
ATX 电源标准是目前 PC和服务器中普遍采用的电源标准，包括单电源和冗余（Redundant）电源。单电源系统的功率一般为125～350W，主要应用在PC和低端服务器中；中高端服务器为了保证供电需求和可靠性，大多采用冗余电源系统，即冗余热插拔电源，可以在线更换。单电源系统有统一的规格、标准规范，通用性较好，而冗余热插拔电源系统大多要根据应用场合专门设计制造。
作为目前应用最广泛的PC 电源标准，ATX 电源标准经历了 ATX1.01、ATX2.01、ATX2.02、ATX2.03以及ATX12V多个版本的演进，详见表2-1。表2-1 ATX电源标准的演进1.2 SSI电源规范
服务器系统基础结构（SSI）电源规范是Intel联合一些主要的IA架构服务器生产商（通常将采用Intel处理器的服务器称之为IA（Intel Architecture）服务器，又称复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）架构服务器。推出的新型服务器电源规范。SSI的推出规范了服务器的电源技术，降低了开发成本，延长了服务器的使用寿命。根据使用环境、规模的不同，SSI电源规范可以分为EPS、TPS、MPS和DPS 4种子规范。（1）EPS规范
EPS（Entry Power Supply Specification）规范是基于ATX电源的服务器升级版本，主要是为采用单电源供电的中低端服务器设计的。设计中秉承了ATX电源的基本规格，但在电性能指标上存在一些差异。EPS 规范电源和ATX 电源最直观的区别在于提供了24Pin的主板电源接口和8Pin的CPU电源接口（目前PC主板已开始有24Pin的电源接口和8Pin的CPU电源接口）。
EPS规范只对电源的容量、引脚等作出了规定，没指定电源额定功率，电源开发商可以根据各自不同的开发平台设计不同的额定功率电源，但其额定功率必须为300W～400W，独立使用，不用于冗余方式。后来该规范发展到EPS12V（2.0版本），适用的额定功率达到450W～650W。（2）TPS规范
TPS（Thin Power Supply Specification）规范电源是瘦形电源，具有功率因数校正（Power Factor Corection，PFC）、自动负载电流分配功能，适用的额定功率为180W～275W，适合冗余工作方式。电源系统最多可以实现4组电源并联冗余工作，由系统提供风扇散热。TPS 规范电源对热插拔和电流均衡分配要求较高，它可用于“N+1”冗余工作，有冗余保护功能。（3）MPS规范
MPS（Midrange Power Supply Specification）规范电源适用于高端服务器，比如支持4路或4路以上处理器系统的服务器使用。MPS电源适用于额定功率为375W～450W的电源，可单独使用，也可冗余使用。它具有PFC、自动负载电流分配等功能。采用这种规范的电源元件的电压、电流规格设计和半导体、电容、电感等器件工作温度的设计余量超过15%，在环境温度25℃以上、最大负载、冗余工作方式下平均无故障时间（Mean Time Between Failare，MTBF）可达到150 000h。（4）DPS规范
DPS（Distributed Power Supply Specification）规范电源是单48V直流电压输出的供电系统，是一种简化服务器的供电方式。它提供的最小功率为800W，输出为+48V和+12VSB。DPS 规范电源采用二次供电方式，输入交流电经过 AC/DC 转换电路后输出48V直流电，48V直流电再经过DC/DC转换电路输出负载需要的+5V、+12V、+3.3V直流电。制定这一规范主要是针对电信用户的供电方式，便于机房供电，使IA服务器电源与电信所采用的电源系统接轨。
虽然目前服务器的电源模块主要遵从ATX和SSI两种标准，但是随着SSI标准更加规范，SSI规范更适应服务器的发展，以后的服务器电源也必将采用SSI规范。SSI规范有利于推动IA服务器的发展，将来可支持的CPU主频会越来越高，功耗将越来越大，硬盘容量和转速等也越来越大，可外接高速设备也越来越多。为了减少发热，并能够节能，未来SSI服务器电源将朝着低压化、大功率化、高密度、高效率和分布式化等方向发展。服务器采用的配件相当多，支持的CPU可以达到4路甚至更多，挂载的硬盘能够达到4～10块不等，内存容量也可以扩展到10GB之多，这些配件消耗的能量很大，比如中高端工业标准服务器采用的是Xeon（至强）处理器，其功耗已经超过80W，而每块小型计算机系统接口（Small Computer System Interface，SCSI）硬盘消耗的功率也在10W以上，所以服务器系统所需要的功率远远高于PC，一般PC只要200W就足够了，而服务器则需要300W以上直至上千瓦的大功率电源。在实际选择中，不同的应用对服务器电源的要求也不同，像电信、证券和金融这样的行业，强调数据的安全性和系统的稳定性，因而服务器电源要具有很高的可靠性。目前的高端服务器多采用冗余电源技术，具有均流、故障切换等功能，可以有效避免电源故障对系统的影响，实现仅7×24h不停顿运行。冗余电源较为常见的是N+1冗余，可以保证在一个电源发生故障的情况下系统不会瘫痪（同时出现两个以上电源故障的概率非常小）。冗余电源通常和热插拔技术配合，即可热插拔的冗余电源，它可以在系统运行时拔下出现故障的电源并换上一个完好的电源，大大提高了服务器系统的稳定性和可靠性。第2节 IT设备使用直流供电的基本原理2.1 IT设备的电源模块
人们往往会产生一种误解，认为交流正弦波是最理想的一种供电波形。在传统的发电技术和输变电技术中，对于电力的生产和传输的确如此，然而，对于用电设备来说，特别是IT类的计算机设备，却是不正确的认识。正弦波经过整流滤波后产生的各次谐波构成了对计算机现实和潜在的威胁。在整流电路之后接入滤波电路，目的就是为了去除各次谐波，这充分说明，IT类计算机设备真正需要的是正弦波中的直流分量，而不是其中包含的各次谐波。在直流供电技术中，直流电源系统所提供的直流不包括任何谐波分量。因此，对于IT类计算机设备而言，直流是一种最理想的供电方式。
计算机内ATX开关电源的原理如图2-1所示。从电子电路原理上分析，只要在设备电源的交流输入端没有串联电容的隔离或串联互感式电感线圈的短接，都是可以采用直流供电的。由此可知，IT设备中绝大部分是可以采用同电压等级的直流电源替代交流电源供电的。图2-1 计算机内ATX开关电源的原理
一种ATX标准电源的电路分析如图2-2所示。图2-2 ATX开关电源电路分析
一种SSI标准的服务器电源基本工作电路如图2-3所示。图2-3 SSI标准的服务器电源的基本工作电路
将图2-3简化后得到图2-4。交流电源输入后，先由电感、电容组成的EMI滤波器进行滤波，然后经整流滤波成直流。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。图2-4 SSI标准的服务器电源的工作原理示意2.2 IT设备直流供电原理
实际上，可以将直流电源输出的直流电从原来的交流电入口处直接接入用户设备，不必对原设备进行任何改动即可供电，如图2-5所示。图2-5 服务器电源中的“市电侧整流滤波”电路可以通过直流电的示意
IT设备的输入是开关电源的全桥整流器如图2-6所示，是专为交流电源设计的，交流电的正半周时二极管D1、D4导通，负半周时二极管D2、D3导通，在电容上形成300V的直流电压。只有当输入正弦波电压超过电容电压时，输入才有电流，这不仅使输入电流呈脉冲状态，在输入端产生大量高次谐波（THDI＞30%），输入功率因数低（PF=0.7），还会使电容电压有较大的纹波，电压纹波是直流电容发热和损坏的最主要原因。图2-6 IT设备开关电源输入电路
既然输入整流器是在正负电压交替（周期10ms）的情况下工作，自然地就认为既可以在连续正电压下工作，也可在连续负电压下工作。直流正电压输入时二极管 D1、D4持续工作，直流负电压输入时二极管D2、D3持续工作。因为输入电流成为平滑的直流，不仅从根本上消除了高次谐波电流，输入不再需要无功功率，电流峰值降低到原来的1/3，还使直流电容电压不再有纹波电压，改善了直流电容工作的环境，也有利于改善后面DC/DC变换器的工作，这对延长直流电容和DC/DC变换器的寿命是绝对有益的。
交流服务器电源通常通过一个PFC电路做有源功率校正后，再经DC/DC变换电路转换为12V、5V和3.3V等电压，作为PCB的供电电源。由于交流220V供电和供电的差异对电源的影响主要在PFC级之前，这里不再阐述DC/DC级之后的电路结构。
典型的高频开关电源模块PFC级之前的电路结构如图2-7所示，其中，L1、L2和C1、C2、C3为EMI滤波电感和电容；R是软启动电阻，用于防止服务器上电时输入的较大冲击电流。软启动结束后，通过继电器将软启动电阻短路，减小损耗，D1～D4为整流桥，L3、S1和D5为PFC电路的电感、开关管和二极管，C4为母线电容，为后面的DC/DC电路提供所需要的直流电压。从图2-7的电路拓扑中可以看到，服务器采用交流还是直流供电，对服务器本身的影响都只集中在前级PFC电路上，对于后面的DC/DC而言是完全一样的。图2-7 服务器高频开关电源模块电路的拓扑结构第3节 交流用电设备使用240V直流供电的适用范围3.1 通信网络中使用交流供电的设备
在通信网络中使用交流供电的设备主要有主设备和辅助设备两大类。
3.1.1 主设备
通信网络的主设备基本上是IT设备，主要包括服务器、刀片服务器、磁盘存储阵列、路由器和网络交换器等。这些IT设备基本上都遵从ATX电源标准或SSI服务器电源规范。其内部电源是一个可靠性很高的独立模块。对于功能强、使用在重要场合的高端服务器或小型机，均配置两个及两个以上的模块并联运行。虽然输入的是交流电源，但核心部分还是DC/DC变换电路，因此只要输入一个范围合适的直流电压给DC/DC变换电路，就能满足IT设备的需要。
主设备电源按前级器件设计的不同又可以分为以下两类：
一是少数早期的IT设备电源输入端前级有工频变压器，输入直流时阻抗很小，相当于产生短路，此种IT设备不能应用于直流供电中；
二是现在大多数IT设备电源都是高频开关电源，输入端没有工频变压器，输入直流不会产生短路阻抗，可以直流输入。
无工频变换电源又分为单电源供电、双电源（如小型机）和半波整流开关电源供电三类。
① 单电源供电的IT设备电源一般在低端IT设备中应用较普遍，基本上都按照ATX标准。从原理来看，电源中一般采用桥堆整流，无论直流电源在接入交流输入端时其电源正负极极性如何，桥堆都能将其整流成极性确定的直流电源供 DC/DC 变换。因此，单电源供电电源应用直流电源时风险较小。
② 双电源供电的IT设备电源主要用于服务器及高端IT设备。双电源的简单原理就是应用了两套单电源的电源模块，实现两路交流独立输入，仅在直流输出端作为并联的负荷分担。其分析方法可依据单电源系统。
③ 半波整流供电的IT设备电源主要针对早期比较老的IT设备和功率比较小的IT设备，其电源整流部分采用的是半波整流。半波整流电路简图如图2-8所示。图2-8 半波整流电路简图
针对此种电路，如果输入直流电源后不能开机，可能是设备制造厂商在安装时将设备内部“L”与“N”级接反，即输入端上部应该接直流电源的正极，下部应该接直流电源的负极，可将该分路开关的输出线正极、负极对调，并制作不同颜色的明显标识。
3.1.2 辅助设备
在通信网络及机房中，除了上面提到的主设备外，还有多种辅助设备。（1）风扇和风机类设备
风扇和风机类设备有两种方式：
① 从IT设备内部直流端电源取电，可以调速，选用的是直流风机。这种风机可以不更改。
② 风扇或风机是从交流电源接入，选用的是交流风机。交流风机接入直流电源会引起短路，所以不能接入直流电源。（2）灯具
机房内普遍应用日光灯和节能灯。此类灯具内有变压器或电压激励模块，只能应用于交流电源，所以机房中的日光灯和节能灯等灯具是不能接入直流电源的。（3）显示器
通信网络系统设备中的显示器一般分为两种。
一种是CRT显示器，即阴极射线管显示器。其内部有交流励磁回路，采用直流供电会使偏转不正常，显示和色彩也不正常，所以不能接入直流电源。
另外一种就是液晶显示器。其内部电源本身也是开关电源，可以采用直流供电。
在实际应用中，可采用液晶显示器来替代原来的CRT显示器，不会对应用带来影响。（4）打印机
部分型号的打印机采用直流供电时可能会出现工作不正常的情况。（5）机房监控设备
机房监控设备一般都有独立的电源，故需要逐个分析其电源类别。如果确认其电源是开关电源，且电源前级无电容隔直和工频变压器短路，则可采用仪表测试确认是否可用直流供电，否则不能接入直流电源。（6）多路电源切换设备
内部采用继电器硬切换的不能继续使用，采用电子开关软切换的经测试后方可使用。（7）FDS后备控制电源设备
不能确认。3.2 特殊保护电路影响
具有输入频率检测启动的设备不能直接使用直流供电，需要进行改造。
少数电源模块对地设计有电感滤波（可简单测量对地直流电阻来判断），虽然不影响系统工作，但可能会加大对地的漏电流，造成绝缘监察系统告警，需要进行处理，如视情况去除电感等。
部分电源模块具有启动过载保护功能，以减少设备启动时产生的冲击，需要进行降压启动，稳定后再提高电压恢复。
个别电源模块采用按交流电压平均值（约 260V）设定，则可能不能直接使用直流供电，或仅可以在浮充状态下工作而不能进入均充。这种情况也须在对模块进行改造或将电源系统均充功能关闭后才可以使用。
据以上分析可知，虽然各种IT设备的开关电源部分的设计思路基本相同，但是详细设计时又千差万别，在实际应用时需要对各种类型的IT设备逐一进行上电前的测试，以确保万无一失。第4节 计算机服务器使用240V直流供电的测试情况
为了实际验证计算机服务器使用 240V 直流供电的可行性，我们随机抽取了通信网络中常用的几种设备进行了实际测试试验。试验选用了3种电源：
普通ATX电源；
普通服务器电源；
1U机架服务器电源。4.1 电源模块的结构（1）普通ATX电源
一般的ATX电源结构如图2-9所示。其整流桥通常采用4只二极管或整流桥堆的全波桥式整流方式。图2-9 ATX电源模块（2）普通服务器的电源
打开某型号的普通服务器电源可以看到，整流桥采用封装结构，如图2-10所示。箭头所指的散热片后面就是整流桥。图2-10 普通服务器的电源模块（3）1U机架服务器电源
1U高机架服务器是一种机架式服务器，其电源模块如图2-11所示。整流桥采用封装结构，圈内为整流桥的4只管脚。图2-11 机架服务器电源模块4.2 测试内容和项目
分别对各个电源模块输入220V交流电，在空载和负载约为70W时，分别测量并记录整流桥、12V端口的输出电压及波形。
对各个电源输入直流电，电压范围为180～310V，在空载和负载约为70W时，分别测量并记录整流桥、12V端口的输出电压及波形。4.3 测试结果
4.3.1 交流输入时的测试结果（1）测试数据
当被测电源模块输入220V交流电压时，各测试点的数据见表2-2。表2-2 交流输入时的对比数据（2）测试波形
a）普通ATX电源
在空载状态下，普通ATX电源模块的测试波形如图2-12所示。图2-12 交流输入普通ATX电源模块时空载的波形
在模块输出端加70W线性负载时，普通ATX电源模块的测试波形如图2-13所示。图2-13 交流输入普通ATX电源模块时带载70W后的测试波形
b）普通服务器电源
在空载状态下，普通服务器电源模块的测试波形如图2-14所示。图2-14 交流输入普通服务器时空载的波形
在模块输出端加70W线性负载，普通服务器电源模块的测试波形如图2-15所示。图2-15 交流输入普通服务器时带载70W后的测试波形
c）机架服务器
在空载状态下，1U机架服务器电源模块的测试波形如图2-16所示。图2-16 交流输入机架服务器时空载的波形
在模块输出端加70W线性负载，机架服务器电源模块的测试波形如图2-17所示。图2-17 交流输入机架服务器时带载70W后的测试波形
4.3.2 直流输入时的测试结果（1）测试数据
当被测电源模块输入240V直流供电系统不同电压段直流时，测试点的数据见表2-3。表2-3 直流240V输入时的测试数据（续表）（2）测试波形
当采用直流电压输入时，被测电源模块在整流输出端及12V输出端的波形基本和输入波形保持一致。在整流输出端，电压受二极管导通电压的影响会降低1～3V，如图2-18和图2-19所示。图2-18 整流输出端的测试波形图2-19 12V输出端的测试波形4.4 测试结果分析（1）关于整流输出端的电压
从已检测的各款电源模块的结构分析可以看到，电源的整流部分都是采用桥式整流，比较旧的电源采用4只整流二极管的结构，现在多采用将4只管封装在一起的整流堆。当输入220V交流电时，根据理论计算，整流桥输出的电压最大值约310V，根据其后滤波电容的大小及负载情况，实际的输出电压会小一些。从实际测试的情况来看，经过整流后，整流输出端的直流电压范围为220～304V。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]